Jak vyu��v� Stepanek3D pr�kov� technologie pro sp�k�n� polymeru?

�o sú technológie SLS/MJF?

Pre výrobu práškových dielov aditívnymi technológiami sa pou�ívajú 2 technológie:

1. Technológia SLS (Selective Laser Sintering), kde spekanie prebieha skenovaním laserového lú�a danej vrstvy. Po naskenovaní prierezov v jednej vrstve sa tla�ová doska posunie o výšku jednej vrstvy ni�šie, systém nanesie a utla�í novú vrstvu prášku a celý proces pokra�uje a opakuje sa a� do poslednej vrstvy. Štandardná výška vrstvy je od 75 do 175 mikrometrov. Priemer lasera závisí od konkrétneho typu stroja, štandardne od 200 do 500 mikrometrov.

2. Technológia MJF (Multi Jet Fusion), kde spekanie prebieha pohybom celej tla�ovej hlavy v jednom kroku na celú vrstvu. Patentovaný systém od spolo�nosti HP nanáša tla�ová hlava lokálne na nespe�ený prášok pojivá (reak�né tekutiny), ktoré sa teplom aktivujú. Po aktivovaní danej vrstvy sa nanesie a utla�í nová vrstvu prášku a celý proces pokra�uje a opakuje sa a� do poslednej vrstvy. Štandardná výška vrstvy je 80 mikrometrov. Rozlíšenie závisí od typu stroja,  štandardne je 1200 dpi.

Aké materiály mô�ete pou�i�?

Jednozna�ne najrozšírenejší materiál je Nylon PA12, nako�ko je univerzálny, overený, s vyvá�enými mechanickými vlastnos�ami, dostupný a �ahko vyrobite�ný.

�alej sa pou�íva Nylon PA11, ktorý je flexibilnejší a hú�evnatejší ako PA12.

Materiál Nylon PA12 GB40 obsahuje podiel 40% objemu sklených �astíc, ktorý zvyšujú tuhos�, teplotnú a chemickú odolnos�.

V neposlednom rade sa pou�íva aj materiál TPU M95A, ktorý sa vyzna�uje vysokou mierou flexibility a hú�evnatosti.

Všetky ostatné materiály sú od Nylonu PA12 drahšie s dlhšími termínmi dodania.

Na �o sa tieto technológie pou�ívajú najviac?

Pou�itie výrobkov z týchto technológií mô�eme rozdeli� do nasledovných oblastí vyu�itia:

• Prototypovanie – funk�né a presné prototypy rôznych dielov a zostáv, ktoré je potrebné vyrobi� v krátkom �ase pri nízkych nákladoch,
• Funk�né diely – ozubené kolieska, �asti funk�ných mechanizmov, zostáv a pod.,
• Diely pre hydrauliku a pneumatiku – diely s konformnými �i u� chladiacimi kanálmi alebo rozvodovými kanálmi, ktoré mô�u by� vo vnútorných �astiach dielu �ubovo�ne konštruované, �o prináša nové efektívnejšie mo�nosti riešení (ktoré neboli technicky mo�né z dôvodu výrobných limitácií iných technológií),
• Prípravky a ich sú�asti – montá�ne alebo upínacie prípravky na opracovanie, viac informácií v sekcií 3D tla� prípravkov,
• Diely pre robotiku – �e�uste, ochranné kryty, �asti robota a pod.,
• Náhradné diely – �i u� do�asné alebo trvalé riešenia v prípade poškodených dielov strojov a zariadení. Viac informácií v sekcii Výroba náhradných dielov,
• Diely s ni�šou hmotnos�ou – ke�e je mo�né diely optimalizova� na najni�šiu mo�nú hmotnos� a objem v kombinácií s aditívnou výrobou, jedná sa o silné nástroje pre úsporu hmotnosti. Viac informácií v podstránkach Topologická optimalizácia a Generatívny dizajn,
• Malosériová výroba – vhodná preva�ne pre diely menších rozmerov (orienta�ne s d�kou najvä�šej strany do 100 mm), ktoré je mo�né produkova� tisíce a� desa�tisíce dielov mesa�ne alebo stredne ve�kých dielov (orienta�ne s d�kou najvä�šej strany od 100 do 200 mm) v desiatkach a� stovkách kusov mesa�ne, prípadne ve�kých dielov (orienta�ne s d�kou najvä�šej strany od 200 do 300 mm) v jednotkách a� desiatkach kusov mesa�ne.
• Výroba nástrojov –výroba atypických klieštín, upína�ov, �e�ustí, stopiek nástrojov a pod.,
• Elektrotechnika – výroba krabi�iek, skriniek a osadení pre elektroniku, ako aj atypických konektorov, distan�ných st�pikov a pod.

Pre koho sú SLS a MJF ur�ené?

Tieto technológie je mo�né vzh�adom na ich cenovú a �asovú dostupnos� vyu�i� prakticky ka�dý.

Najvä�šia pridaná hodnota je však pre firmy, ktoré h�adajú funk�né alternatívy ku konven�ne opracovaným dielom alebo zavádzajú nové efektívnejšie riešenia, ktoré umo��uje práve dizajnová sloboda aditívnej výroby. A to hlavne preto, �e doká�u mnohokrát prinies� výraznú �asovú a finan�nú úsporu.

Aké sú výhody SLS/MJF?

Po�me si konkrétne rozpísa� jednotlivé výhody týchto technológií:

1. Najlepší pomer ceny a kvality pre funk�né diely z pomedzi dostupných aditívnych technológií

Ke�e materiál ako aj výrobný proces je finan�ne relatívne dostupný a na druhej strane práškové technológie ponúkajú vysokú kvalitu z h�adiska mechanických, chemických, teplotných aj rozmerových parametrov, sú mnohokrát primárnou vo�bou pre funk�né diely. K tomu samozrejme prispieva aj rýchle dodanie (štandardne od 24 hodín do 5. pracovných dní).

2. Sloboda dizajnu

Ako jeden z hlavných benefitov je ur�ite sloboda dizajnu, ktorá je najvä�šia z pomedzi dostupných aditívnych technológií, a to z dôvodu, �e nespe�ený materiál vytvára podporu u� spe�eným �astiam dielov. Preto nie sú potrebné �iadne technologické prvky ako podpory a pod.

Tým sa mô�eme dizajnova� diely prakticky s akouko�vek geometriou. Je len potrebné myslie� na to, �e z dutín sa materiál odstra�uje ru�ne alebo mechanicky, preto dutiny musia by� dostato�ne prístupné. V opa�nom prípadne v nich zostane zvyškový prášok, ktorý sa mô�e �asom uvo�ni�.

3. Takmer dokonalá izotropia

Izotropia je vlastnos� výrobku vykazova� rovnaké mechanické vlastnosti v rôznych smeroch pôsobenia síl. To znamená, �e diely z SLS a MJF majú prakticky rovnakú pevnos� vo všetkých smeroch, nezávisle od smeru tla�e (orientácie výrobku v tla�ovom objeme). V smere osi Z je pevnos� percentuálne mierne ni�šia, tento rozdiel je však prakticky zanedbate�ný.

4. Vyvá�ená kvalita povrchu

Vrstevnice, prípadne mierne nedokonalosti a rozdiely plôch po výrobe mô�u by� mierne vidite�né, v porovnaní však s technológiou FDM/FFF (tavenie plastovej struny) sú vizuálne rozdiely jednotlivých plôch zanedbate�né. To znamená, �e povrch je zjednodušene v rovnakej alebo podobnej kvalite na všetkých plochách, nezávisle od orientácie dielu v tla�ovom objeme. Preto mô�u by� výrobky pou�itý aj ako vzh�adové diely.

5. Relatívne vysoká presnos� a opakovate�nos� výroby

Presnosti sú v �lánku bli�šie a konkrétne popísané v samostatnej kapitole ni�šie: Aké sú presnosti SLS a MJF? V porovnaní s dostupnými aditívnymi technológiami sú však presnosti a opakovate�nos� výroby na vysokej úrovni.

6. Vysoká produktivita a krátke �asy dodania

Všeobecne vieme produktivitu a �asy dodania pre obe technológie orienta�ne kategorizova� nasledovne:

SLS je vhodná pre menšie diely (najvä�ší rozmer orienta�ne do 100 mm) v stredných mno�stvách (rádovo stovky a� tisíce kusov mesa�ne) alebo stredne ve�ké diely (najvä�ší rozmer orienta�ne od 100 do 200 mm) v menších mno�stvách (rádovo desiatky a� stovky kusov mesa�ne).

MJF je vhodná pre vä�šie diely (najvä�ší rozmer orienta�ne od 200 do 300 mm) v menších mno�stvách (rádovo desiatky a� stovky kusov mesa�ne) alebo stredné a menšie diely (najvä�ší rozmer orienta�ne do 200 mm) vo vä�ších mno�stvách (rádovo tisíce a� desa�tisíce kusov mesa�ne).

7. Ekológia výroby

V neposlednom rade vieme tieto technológie porovna� aj z h�adiska ekológie a odpadového hospodárstva. Nespe�ený materiál sa toti� po výrobe len odstráni a znovu recykluje pri �alšej výrobe. To znamená, �e teoreticky sa jedná o dokonale bezodpadovú výrobu.

Aké sú nevýhody SLS a MJF?

Aby sme boli transparentní, je potrebné uvies� aj potenciálne nevýhody tejto technológie, ktoré sú nasledovné:

1. Nasiakavý povrch

Mierne porézna štruktúra povrchu je nasiakavá pre plyny a kvapaliny, ktoré mô�u chemicky dlhodobým pôsobením poškodzova� diely, prípadne meni� ich vlastnosti alebo rozmery. Porézny je však len vonkajší povrch dielu (do h�bky rádovo nieko�kých desatín mm), samotné jadro je celistvé a nepriepustné. Pri hrúbke steny 1,5 a� 2 mm u� vniká dostato�né nepriepustné jadro aj pre pou�itie dielov pri pneumatických alebo hydraulických aplikáciách.

Sú�asne existujú spôsoby na zní�enie alebo úplne odstránenie nasiakavosti. Tým mô�e by� impregnácia špeciálnym farebným pigmentom, lakovaním alebo leptaním povrchu. Tieto dodato�né technologické operácie však predl�ujú termíny dodania a cenu výrobku.

2. Zvýšená drsnos� povrchu

Drsnos� povrchu závisí predovšetkým od orientácie dielu v tla�ovej komore, pod�a obrázku ni�šie, štandardne v je rozsahu Ra = 11 a� 18 µm a Rz = 68 a� 108 µm

Drsnos� povrchu je však mo�né �alej zlepšova� napr. ru�ným alebo strojovým brúsením, leštením, opracovaním, omie�aním alebo aj tmelením a farbením.

Aké sú tla�ové objemy SLS/MJF?

To závisí predovšetkým od pou�itého stroja a materiálu. Ak sa zameriame na najpou�ívanejší materiál Nylon (Polyamid) PA12 pre obe technológie, tla�ové objemy, ktoré vieme ponúknu� aj v rámci našich slu�ieb STEPANEK3D, sú nasledovné:

• Pre technológiu SLS vieme pou�i� tla�ový objem 130 x 180 x 330 mm (XYZ),
• Pre technológiu MJF vieme pou�i� tla�ový objem 380 x 284 x 380 mm (XYZ).

V rámci nich je mo�né vä�šie diely orientova� aj na priestorovú uhloprie�ku alebo uklada� v rôznych úrovniach bez obmedzení nad seba alebo ved�a seba (tzv. nesting).

Aj ke� ve�kosti dielov z jedného kusu, ktoré je mo�né týmito technológiami vyrobi� sú pomerne obmedzené, doká�eme ich efektívne spája� tvarovým, mechanickým, chemickým spojením alebo ich kombináciou. V�aka tomu vieme dosiahnu� spoj pevnejší ako okolitý materiál a s tým súvisiacu teoretickú ve�kos� dielov bez obmedzení.

Aké sú presnosti SLS a MJF?

Presnos� je rôzna pri oboch technológiách a všeobecne ju mô�eme definova� nasledovne:

• Technológia SLS (spekanie skenovaním laserového lú�a), kde je všeobecne zadefinované toleran�né pásmo do d�kového rozmeru 100 mm je ± 0,3 mm pre rozmery nad 100 mm u� platí tolerancia ± 0,3%.
• Technológia MJF (spekanie pohybu celej tla�ovej hlavy v jednom kroku na celú vrstvu), kde je všeobecne zadefinované toleran�né pásmo pre rozmery do 100 mm je ± 0,2 mm a nad rozmery 100 mm u� platí tolerancia ± 0,2%.

�o je však potrebné zdôrazni�, je skuto�nos�, �e presnos� sa dá �alej zvyšova� predovšetkým vhodnou orientáciou dielov. Tam je však potrebné konkrétne vytipova� a pred výrobou definova�, ktoré prvky (geometrické �asti) dielu sú z h�adiska presnosti k�ú�ové.

Mô�e sa sta�, �e jednotlivé prvky, za predpokladu, �e ich bude na diely vyzna�ených viac, sa budú z h�adiska presnosti vzájomne vylu�ova�, a preto je vhodné zadefinova� k�ú�ových oblastí �o najmenej, aby bol proces z h�adiska presnosti primárne nastavený len na nich. Tam je mo�né za ur�itých okolností v oboch vyššie spomínaných technológiách dosiahnu� teoretickú presnos� a� na úrove� ± 0,1 mm. To sa mô�e dosiahnu� v�aka vysokej opakovate�nosti výroby realizova� výrobou vzorky, zmeraním odchýlok a spätnou korekciou vstupného 3D modelu.

Avšak �iadny výrobca, ktorý týmito strojmi disponuje, nevie dané tolerancie garantova�, nako�ko sa jedná aj o teplotný proces spekania, kde okrem lokálneho vytvrdzovania aj celý diel následne po�as chladnutia rozmerovo „pracuje“ a tam mô�e dôjs� k dodato�ným rozmerovým zmenám.

Preto v praxi na u�šie toleran�né polia táto metóda nie je úplne vhodná, ak Vám nevyhovujú vyššie uvedené toleran�né pásma. Tam u� je skôr vhodná kombinácia 3D tla� polotovaru + trieskové opracovanie, prípadne spojenie strojovo opracovaných segmentov s 3D tla�enými. V rámci STEPANEK3D vieme poskytnú� aj kombináciu aditívnej výroby a trieskového opracovania.

Aké sú dodacie termíny SLS/MJF?

To závisí od ve�kosti, objemu a po�tu dielov, ako aj od aktuálnych kapacít strojov. Z našich skúseností menšia mno�stvá rádovo v jednotkách a� desiatkach dielov však vieme ponúknu� dodacie termíny štandardne od 24 hodín do 5. pracovných dní. V ur�itých prípadoch je mo�né diely expresne doda� aj do 24 hodín.

Aké sú ceny dielov SLS a MJF?

Cena závisí od ve�kosti, objemu, po�tu dielov, rýchlosti dodania a zvoleného materiálu. Štandardne sa cena kalkuluje od objemu výrobku, pri�om sa be�ne pohybuje pre materiál Nylon PA12 na úrovni od 0,5 do 2 EUR bez DPH / cm3. V prípade záujmu Vám cenovú ponuku radi pripravíme na mieru. 

Záver

V tomto �lánku sme si prešli mo�nosti technológií pre spekanie polymerového prášku SLS a MJF, porovnali ich rozdiely a definovali materiály, ktoré sa pou�ívajú.

�alej sme si rozpísali oblasti vyu�itia výrobkov z týchto technológií, pre koho sú ur�ené, ich výhody a nevýhody, ako aj štandardné termíny dodania a ceny takýchto výtla�kov.

Ak máte akéko�vek �alšie otázky na technológiu, materiály alebo Vašu konkrétnu aplikáciu, mô�ete oslovi� priamo nášho špecialistu na 3D tla� telefonicky na +421907319874, emailom na info@stepanek3d.sk.