Druk 3D metali

13 listopada 2019

Druk 3D przedmiotów wykonanych z metali zawsze wymaga ciepła, ponieważ powstają one z metalicznego proszku, który jest podgrzewany w bardzo wysokich temperaturach. Może to jednak spowodować deformację poszczególnych części elementu w wyniku ich przegrzania. Aby temu zapobiec naukowcy symulują, jak ogrzewanie mogłoby zdeformować drukowany element, co pomoże zniwelować odkształcenia i przyczynić się do popularyzacji druku 3D na skalę przemysłową.

"Poczyniliśmy już znaczne postępy w tej dziedzinie. Jednak naszym celem jest gwarancja wydruku z metalu z dokładnością 1:1 już za pierwszym razem. Do tej pory proces drukowania lub kształt elementu był czasami zniekształcony przez miejscowe przegrzanie. Właśnie dlatego tak ważne są badania mające na celu zapobieganie problemom spowodowanym przegrzaniem prowadzone przez Katharinę Eissing i zespół badawczy kierowany przez Daniela Reznika. To dla nas o krok naprzód w rozwoju nowego modułu drukowania 3D z wykorzystaniem oprogramowania przemysłowego" – wyjaśnia Omar Fergani, dyrektor ds. w dziale Digital Industries.

Przegrzanie w procesie drukowania

"Badamy kwestię przegrzania podczas drukowania w 3D z wykorzystaniem proszków, ponieważ wysoka temperatura może zagrozić zarówno samemu procesowi, jak i produktowi" – mówi Reznik. "Gdy laser podąża zgodnie z zaprogramowaną ścieżką, topi metaliczny proszek i tworzy kulkę, tj. kroplę metalu, która podczas schładzania buduje kształt pożądanego elementu".

Katharina Eissing wyjaśnia: "Czasami wiązka lasera przechodzi obok obszaru, który nie do końca ostygł, powodując jego przegrzanie. W wyniku tego topi się większy obszar, a kropla metalu staje się nie tylko szersza, ale także wyższa. W rezultacie drukowany przedmiot może mieć w pewnych miejscach większą wysokość niż zakładana. To z kolei może prowadzić do szeregu problemów: element nie będzie miał pożądanego kształtu, a samo drukowanie może zostać przerwane, ponieważ ostrze, które regularnie przesuwa cienką warstwę proszku po elemencie zaczepi o wyższy element."

Model termiczny

Inżynierowie produkcji chcieliby z góry wiedzieć, czy dany komponent można wytworzyć przy użyciu drukarki 3D. Zespół naukowców symuluje zatem ten proces, aby nie było konieczności powtórnego wydruku.

"W idealnej sytuacji obliczylibyśmy rozkład ciepła wokół każdego pojedynczego punktu, nad którym znajduje się laser. Zajęłoby to jednak lata, nawet przy wykorzystaniu komputera o dużej mocy obliczeniowej. Dlatego symulujemy tylko wybrane sekcje, które są charakterystyczne dla danego materiału i drukowanego elementu. To pozwala nam stworzyć model termiczny, który możemy zastosować do całego komponentu. Jeśli zidentyfikujemy ryzyko przegrzania, możemy na przykład skorygować ścieżkę lasera" – podkreśla Katharina Eissing.

W następnym kroku zespół zamierza opracować kolejne modele termiczne dla różnych materiałów i parametrów procesu wydruku, wykorzystując automatyzację w oparciu o zasady machine learning. Zebrane dane posłużą programistom branży Digital Industries do rozwijania nowego modułu Siemens NX, który obsługuje druk 3D.

Opracowała: Nina Vincenz-Krajewska, na podstawie artykułu „Exactly simulating molten metal”