Az anyaghozzáadásos gyártás – sztereolitográfiás gépekkel – már az 1990-es évek végén elkezdődött, hogy aztán egyre nagyobb teret hódítson meg magának. Napjainkban a 3D-nyomtatás – többek között a 3D-fémnyomtatás – egyre jobban előtérbe kerül, az ipar 4.0 szerves részét képezi. A technológia fejlődésével már nemcsak a prototípusgyártásnál beszélhetünk 3D-nyomtatásról, hanem a mindennapi kis- és középsorozatos munkadarabok esetében is megtérülő megoldást jelenthet az additív megmunkálás. A 3D-nyomtatás lehetőséget nyújt olyan munkadarabok előállítására, amilyenekre előtte nem volt lehetőség. Nem kell csak a hagyományos fúrás, marás vagy esztergálás korlátai miatt egy terméket több alkatrészre bontva megmunkálni, hanem lehetőség van akár különböző anyagok felhasználásával, egy darabban kinyomtatni a hagyományos technológiával nem gyártható munkadarabokat.
A 3D-nyomtatás kezdete és korai újításai
A 3D-nyomtatás fejlődését az motiválta, hogy kis szériás termékeket is elő lehessen állítani olcsón, nagyon rövid iterációs ciklussal. Kikerülhetetlen a polimerek nyomtatásának és a gyors prototípus-készítés meggyorsításának a bemutatása, ha meg akarjuk ismerni a 3D-fémnyomtatási technológiákat.
1981 májusában dr. Kodama Hideo, a Nagoya Városi Ipari Kutatóintézetben részleteket tett közzé a „gyors prototípus-készítés” technikájáról. Ez a kutatás volt az első alkalom, amikor leírta a rétegenkénti gyártást, amely annyira jellemző a 3D-nyomtatásra. Kutatása során fotopolimereket nyomtattak a módszerrel, amely megelőzte a sztereolitográfiát, és bemutatta a rétegek keresztmetszeti szeleteit is: ezek egymásra helyezkedve képezték a 3D-objektumot. Dr. Kodama azonban nem teljesítette a szabadalmi bejelentést, és gyors prototípus-fejlesztőjét soha nem szabadalmaztatták.
Három évvel később, 1984-ben három mérnök, Alain Le Méhauté, Olivier de Witte és Jean Claude André szabadalmat nyújtott be a sztereolitográfiás folyamatra. Viszont nem látták a forradalmi lehetőséget az új gyártási folyamatban, így „üzleti perspektíva hiányára” hivatkozva felhagytak a szabadalom további fejlesztésével.
Mindössze három héttel a francia mérnökök után Charles Hull benyújtotta szabadalmát a sztereolitográfiára, de olyan új funkciókkal, mint az STL-fájlformátum (stereolithography CAD-file) és a digitális szeletelés. Eljárása ultraibolya fényt használt a fotopolimerek kezelésére. A szabadalmak 1986-os benyújtása és megszerzése után Chuck Hull megalapította a 3D Systems vállalatot, és 1987-ben kiadta az első 3D-nyomtatót, az SLA-1-et. Ezzel megszületett a 3D-nyomtatás.
Por és filament
A kezdeti 3D-nyomtatási versenybe beszállt az SLS-technológiát (Selective Laser Sinter – szelektív lézeres szinterezés) kifejlesztő Carl Deckard, aki 1988-ban a Texasi Egyetemen nyújtott be szabadalmat az eljárásra. A Fused Deposition Modelling (más néven FDM) a mindennapi gyártók és fogyasztók számára a leggyakrabban használt 3D-nyomtatási technológia. A szelektív lézeres szinterezéshez hasonlóan az FDM is hőre lágyuló műanyagokat használ az alkatrészek nyomtatásához. A kettő közötti különbség azonban az, hogy az FDM szálakat használ, míg az SLS porokat. A sztereolitográfia különbözik mindkettőtől, mivel hőre keményedő anyagokból, úgynevezett gyantákból építi fel a munkadarabokat.
Rakéta a nyomtatóból
De a polimereknél sokkal erősebb a fém. Hogy mennyivel, azt jól mutatja, hogy a SpaceX-projektben már 2013-ban úgy nyomtatták a Dragon kapszula külső burkolatába épített SuperDracos motor égésterét. Az első szélesebb körben használt 3D-fémnyomtatót az EOS (Electro Optical Systems) gyártotta 1995-ben. Ez egy fémporágyas lézerszinterezési eljáráson alapuló (Powder-bed Direct Metal Laser Sinter) nyomtató volt, hosszú évekig úgy tűnt, hogy ez a megoldás létezik fémnyomtatásra. 2003-ban az Arcam AB bemutatta az EBM- (Electron Beam Melting) technológián alapuló nyomtatóját, amely utómunkálat és hőkezelés nélkül, még nagyobb precizitással volt képes munkadarabok előállítására az anyag tökéletes összeolvasztása révén.
3D-fémnyomtatási módszerek
A 3D-fémnyomtatás első szabadalma a DMLS (Direct Metal Laser Sintering – közvetlen fémlézeres szinterezés) néven ismert. Maga az eljárás nagyon hasonlít a műanyagoknál használatos SLS-technológiára, alapanyagul homogén porkeveréket használ, amely kis olvadáspontú kötőanyagból és nagyobb olvadáspontú mátrixanyagból áll, például bronzból vagy nikkelből. Az eljárás során a lézersugár az alacsonyabb olvadáspontú kötőanyagot megolvasztja, nedvesítés következtében körülveszi a változatlan formában maradt mátrixanyagot, majd megszilárdul. A pórusok feltöltése külön folyamatban, hőkezelő kemencében érhető el. A feltöltés javítja a termék mechanikai tulajdonságait, a felületi minőségét és élettartamát. A DMLS-eljárással létrehozott testek felhasználhatók műanyag fröccsöntő szerszámként, melyekkel több ezer alkatrész gyártható, vagy közvetlenül beépíthetők működő rendszerekbe, funkcióképes fémalkatrészként.
Az SLM-technológia (Selective Laser Melting – Szelektív lézeres olvasztás) egy poralapú fémnyomtatási eljárás. Ezek a 3D-nyomtatók nagy energiájú lézersugárral olvasztják össze a gyártandó alkatrészek rétegeit. A nyomtatás után az alkatrészt utókezelni szükséges. Ez ma a legelterjedtebb ipari fémnyomtatási eljárás, a többi technológiát általában ehhez hasonlítva értékelik. Az SLM nyomtatott fém alkatrészekre nagy precizitás jellemző, ideális olyan komplex alkatrészek előállítására, amelyek a hagyományos forgácsolásos technológiákkal nem vagy csak nehezen előállíthatóak. A felhasználási területek nagyon változatosak, használják fogászatban és egyéb egészségügyi alkalmazásokban, de a légi közlekedés iparágában is.
A DED (Direct Energy Deposition) fémnyomtatás-technológia esetén az alapanyag-adagolás és annak hevítése a nyomtatófejben történik. A kapott alkatrészek minősége nagyon hasonlít az SLM- vagy EBM-technológiával készültekéhez. A DED 3D-nyomtatási rendszerek LENS (lézerrel tervezett hálóformázás) és DMD (közvetlen fémrétegezés) néven is ismertek. Fémhuzallal vagy fémporral építik a tárgyakat, az olvadást plazmaívvel, lézerrel vagy elektronnyalábbal érik el. Nagyon hasonlít a hegesztéshez, így az egyik elsődleges alkalmazása a meglévő fém alkatrészek javítása. Két fajtája van, a porfújásos és a huzalos fémnyomtatás. Az előbbi egy nyomtatófejből fújja a fémport a tárgyra, és a fújás mellett a fejen lévő lézer azonnal megolvasztja azt. Mivel mindkét eljárás (SLM és Powder DED) lézert használ a fémpor olvasztásához, ezért a kapott alkatrészek minősége nagyon hasonló. A legfontosabb különbség, hogy a Powder DED-gépek használhatók nem nyomtatott alkatrészek javítására (anyag pótlására) is, köszönhetően a különleges anyagadagolásnak.
Az EBM-fémnyomtatók (Electron Beam Melting – elektronsugaras olvasztás) lézersugár helyett elektronsugárral olvasztják meg a fémport. A technológia pontossága az SLM-változathoz képest alacsonyabb, de a gyártás folyamata összességében gyorsabb nagyobb tárgyak esetén. Az új piaci színre lépők között van a Sciaky nevű cég, amely a fémport fémhuzallal váltotta ki, az alapelv – magas vákuumban elektronsugár segítségével megolvasztott fém rétegezése – gyakorlatilag azonos, ám az alapanyag kezelése egyszerűbb, veszélytelenebb, és a gyártó szerint a gépük még gyorsabb is, mint az eddigiek.
A Binder Jetting 3D-fémnyomtatás alkalmas teljes funkcionalitású tárgyak, mint például ékszerek, kiegészítők, lakberendezési tárgyak és bármilyen napi használati eszköz előállítására. Számos anyagot használnak a technológiához: titánt, alumíniumot, acélt stb. A Binder Jetting gyors és könnyen kezelhető, emiatt talán ez lesz a leginkább használható és termelékeny additív gyártási technológia. Ezek a nyomtatók a hagyományos papírra történő 2D-nyomtatáshoz hasonló fúvókás technológiát használnak. Először a gép egyenletesen fémport terít szét az építőtálcán, olvasztás helyett azonban – a 2D-nyomtatóknál is használt fúvókákból – polimert fecskendeznek a nyomtatandó alkatrész keresztmetszetének megfelelő területére, finoman összefogva ezzel a fémport. A művelet rétegről rétegre ismétlődik, amíg fel nem épül a munkadarab.
Miután a nyomtatási folyamat befejeződik, a fémterméket egy magas hőfokú kemencébe helyezik a végleges szilárdság és keménység elérése érdekében. Ezek után a maradék porrészecskéket ecsettel és levegő segítségével eltávolítják. A folyamat legvégén a rendelésnek megfelelő utómunka (pl. fényezés) segítségével lesz szállításra kész az egyedi 3D-nyomtatott termék.
A legújabb módszerek: poralapú fém, hibrid filamentek és elektromágneses fémnyomtatás
A poralapú extrudálást, építést (Bound Powder Extrusion – BPE) más néven Metal Polymer Filament Extrusionnek (MPFE), Atomic Diffusion Additive Manufacturingnek, Bound Powder Depositionnak, Bound Powder Extrusionnek (BPE) is nevezik. Ezek a BPE-gépek alapanyagnak viasszal és polimerrel kötött fémport használnak a 3D-fémnyomtatáshoz, amely nagyon hasonlít a FDM-nyomtatók fimanet alapanyagához, és a működési elvük is igen közel áll egymáshoz. A szálhúzásos eljárással nyomtatott alkatrészeket utókezelik: a polimert és a viaszt kimossák az alkatrészekből, majd szinterezik azokat. Előnye, hogy nem használ a rendszer szabad fémport, így kevésbé veszélyes, és az infrastruktúra kialakítása is olcsóbb, a korábban felsorolt technológiák árának töredékéért ki lehet építeni. Ezt az eljárást fejlesztették tovább, méghozzá úgy, hogy a mikrohullámú kemencében szinterezik az elkészült alkatrészeket, így egyenletesebb zsugorodást és minimális torzulást tudnak elérni, precízebb és gyorsabb, mint a BPE.
Magnetohidrodinamikán alapuló különleges eljárást fejlesztett ki néhány éve a Vader család. A tintasugaras nyomtatók működési elvét véve, az elektromos vezetőképességű folyadékot – amely egy fémolvadék – külső elektromágneses erőtér hatására mozgatják, így terelik a kívánt irányba, és az egymás után sugárban érkező, összeolvadó cseppekből alakul ki a kívánt háromdimenziós forma.
És talán a legígéretesebb technológiát hagytuk a végére, amely lehetővé teszi, hogy egy lépésben többféle anyagot is nyomtassunk. Ez a mikrofluidikus galvanizáció, amely hasonlóan működik, mint a 2D-nyomtatók. A nyomtatófej – hasonlóan a hagyományos tintasugaras nyomtatáshoz használt nyomtatófejekhez – olyan fémszuszpenzió cseppjeit injektálja, amelyek hő vagy kémiai reakció hatására megszilárdulnak. Hasonló a nanorészecske-injektálás is, amely technológia lehetővé teszi a kerámia és fém hibrid anyag előállítását. A NanoParticle Jetting-technológia egy lépésben többféle anyag nyomtatására is képes.
Alig egy évtizeddel ezelőtt kevesen hitték, hogy a 3D-fémnyomtatás valaha komoly versenyző lehet a sorozatgyártásban. A technológia azonban gyorsan fejlődött, különösen az elmúlt években. Mivel a fém alkatrészeket olyan széles körű alkalmazásokban használják, mint az orvosi, autó- és repülőgépipar, a technológia előkészíti a termelést.
