Współpracując z BASF Forward AM, jedną z największych firm chemicznych na świecie, Zortrax wprowadził proces, który umożliwia wytwarzanie części metalowych na przemysłowej drukarce 3D Zortrax Endureal z dwóch najczęściej stosowanych rodzajów stali: nierdzewnej stali chirurgicznej 316L oraz utwardzonej wydzieleniowo stali 17-4 PH. Wprowadzenie możliwości druku 3D z metalu do drukarki 3D przeznaczonej do pracy z polimerowymi filamentami otwiera kolejny rozdziały we współpracy pomiędzy Zortrax i BASF. Poniżej można znaleźć wszystko, co trzeba wiedzieć o tym, jak ten proces działa i jak go wdrożyć.

Jak działa druk z metalu w technologii BASF

Druk 3D metalu na Zortrax Endureal jest możliwy dzięki Zortrax Full Metal Package 316L i Zortrax Full Metal Package 17-4 PH, czyli zestawom zawierającym wszystko, co niezbędne do produkcji stalowych modeli.

Korzystanie z tych zestawów jest proste.

• W pierwszej kolejności należy wymienić moduł hotendu w drukarce 3D Zortrax Endureal na ten, który znajduje się w zestawie. To standardowy moduł, ale zdecydowanie zalecamy użycie nowego hotendu, aby uzyskać najlepsze możliwe rezultaty.
• Po drugie, w drukarce Endureal jako materiał modelowy należy zainstalować szpulę BASF Ultrafuse 316L lub BASF Ultrafuse 17-4 PH, a jako materiał podporowy szpulę BASF Ultrafuse Support Layer.
• Po trzecie, części, które mają być wydrukowane w 3D, muszą zostać sprawdzone pod kątem zgodności z naszymi wytycznymi projektowymi, wyjaśnionymi w tej „Instrukcji drukowania 3D w metalu„.
• Po czwarte, platforma robocza w Endureal musi być pokryta klejem Magigoo Pro Metal, aby umożliwić właściwe przyleganie materiału do platformy roboczej.
• Po piąte, proces drukowania 3D należy rozpocząć z domyślnymi ustawieniami dostępnymi w oprogramowaniu Z-SUITE dla filamentów metalicznych BASF.
• Po szóste, wydrukowane modele 3D muszą zostać spakowane i wysłane do obróbki końcowej, która jest bezpłatna z dołączonym voucherem.
• Na koniec, przetworzone, w pełni funkcjonalne części metalowe są dostarczane w paczce pod wskazany adres.

Aby bezproblemowo przejść przez cały ten proces, każdy zestaw Zortrax Full Metal Package zawiera:

• Szpulę 1000 g filamentu BASF Ultrafuse 316L lub BASF Ultrafuse 17-4 PH
• 300 g szpulę filamentu BASF Ultrafuse Support Layer
• Butelkę 50 g kleju Magigoo Pro Metal
• Moduł hotendu Endureal
• Voucher na post-processing 1000 g części metalowych

Dla zabezpieczenia wydruków w drodze do Elnik Systems GmbH, firmy odpowiedzialnej za przetwarzanie ich na części metalowe, dołączyliśmy do zestawu nawet folię bąbelkową. Na wszelki wypadek.

Wybór odpowiedniego rodzaju stali

Każdy z dwóch wprowadzonych pakietów Full Metal Package jest dostarczany z metalicznym filamentem firmy BASF, który umożliwia wytwarzanie części z dwóch różnych rodzajów stali. Pierwszy rodzaj to chirurgiczna stal nierdzewna 316L, która jest szczególnie odporna na korozję ze względu na stosunkowo wysoki procentowy udział chromu w stopie. Chrom w kontakcie z tlenem tworzy bardzo cienką warstwę ochronną na powierzchni części, która zapobiega ich korozji.

Dzięki temu ten stop dobrze sprawdza się w trudnych warunkach, w których części są stale narażone na działanie cieczy, chemikaliów lub soli. Stal 316L jest również bardzo estetyczna, zwłaszcza po polerowaniu, co czyni ją popularnym wyborem do zastosowań dekoracyjnych. Stal ta jest jednak stosunkowo miękka i ma dość duże wydłużenie przy zerwaniu sięgające 53%. Będzie się wyginać zamiast pękać pod krytycznym obciążeniem.

Z kolei stal 17-4 PH dzięki zwiększonemu dodatkowi węgla i przejściu procesu zwanego utwardzaniem wydzieleniowym ma bardzo wysoką twardość. Jest zatem o wiele twardsza niż typ 316L i ma znacznie mniejsze wydłużenie przy zerwaniu, wynoszące zaledwie 4%. Oznacza to, że materiał może wytrzymać o wiele większe obciążenia przy wytrzymałości na rozciąganie 1004 MPa, czyli prawie dwukrotnie większej niż w stali 316 gdzie wytrzymałość na rozciąganie to 561 MPa.

Niskie wydłużenie oznacza jednak, że pod krytycznym obciążeniem stal 17-4 PH pęknie zamiast się odkształcić. 17-4 PH, chociaż ciągle zalicza się do kategorii stali nierdzewnej, jest również znacznie bardziej podatna na korozję niż typ 316L, a zatem wymaga bardziej skrupulatnej konserwacji. Wreszcie, jej matowa powierzchnia nigdy nie była uważana za szczególnie ładną, więc jest lepszym wyborem w sytuacjach, w których funkcjonalność jest ważniejsza od wyglądu.

Kluczowe różnice między BASF Ultrafuse 316L i BASF Ultrafuse 17-4 PH przedstawiono w poniższej tabeli.

Dlaczego Endureal to właściwa drukarka 3D do metali

Drukarka 3D Zortrax Endureal jest pierwszą maszyną w naszej ofercie obsługującą drukowanie z użyciem metalicznych filamentów i są ku temu dobre powody.

Ma dobrze zaprojektowany system podwójnej ekstruzji, który wielokrotnie sprawdził się w drukowaniu zaawansowanych komponentów do niezwykle wymagających zastosowań, w tym do lotów kosmicznych. Dokładność wymiarową drukowanych części zapewnia podgrzewana komora druku z pełną kontrolą temperatury. Standardowe dysze stosowane w Endureal wykonane są ze specjalnego rodzaju bronzu przemysłowego, który jest wyjątkowo odporny na ścieranie. Biorąc pod uwagę fakt, że BASF Ultrafuse Support Layer jest materiałem bardzo ściernym, stosowanie takich dysz znacznie wydłuża żywotność systemu i pozwala na jego dłuższą pracę bez konserwacji.

Wreszcie, ponieważ tworzymy zarówno drukarkę 3D, jak i oprogramowanie do cyfrowego przygotowania modeli do druku, mogliśmy wprowadzić wiele przydatnych funkcji w oprogramowaniu Z-SUITE, które jest dostarczane bezpłatnie z każdą drukarką 3D Zortrax. Wśród nich znalazły się m.in. automatyczne skalowanie i stosowanie rodzaju wypełnienia zaprojektowanego specjalnie dla filamentów metalicznych.

Wszystko to składa się na jedno – części wydrukowane w 3D na Endureal z filamentów metalicznych mają strukturę wewnętrzną, którą można znaleźć w tradycyjnie wytwarzanych komponentach z litej stali, co jest ostatecznym celem w każdym procesie drukowania 3D z metalu.

Nowe funkcje dla filamentów metalowych w Z-SUITE 3.2.0 BETA

W aktualizacji Z-SUITE 3.2.0 BETA z 29 maja 2023 r. wprowadziliśmy szereg funkcji, które usprawniają druk 3D z użyciem filamentów metalicznych. Większość zmian dotyczy ustawień wypełnienia, podpór oraz tzw. płytek skurczowych.

Przede wszystkim pojawił się nowy wzór wypełnienia gyroid, który pozwala drukować metalowe modele 3D z wypełnieniem o gęstości w zakresie od 60 do 90%. Jest to szczególnie przydatne w przypadkach, gdy masa drukowanej części musi być jak najniższa (np. w zastosowaniach lotniczo-kosmicznych). Po drugie, wszystkie podpory są teraz dzielone na mniejsze obszary i zwężane ku dołowi. Ułatwia to usuwanie podpór, szczególnie z trudno dostępnych miejsc, oraz zmniejsza widoczność ich śladów na powierzchni modeli po post-processingu. Wreszcie, udoskonaliliśmy sposób drukowania płytki skurczowej. Ten niezbędny w druku 3D z metalu element pomaga jeszcze lepiej przeciwdziałać deformacji modeli. Poniższe grafiki przedstawiają najważniejsze funkcje aktualizacji Z-SUITE 3.2.0 BETA.

Jak części drukowane 3D są przekształcane w metale

Gdy części wykonane przy użyciu Zortrax Full Metal Packages zostaną wydrukowane w 3D, muszą przejść etap post-processingu opracowany przez BASF Forward AM i wykonywany przez Elnik Systems GmbH, firmę produkującą najnowocześniejsze piece na świecie. Nie wchodząc zbyt głęboko w szczegóły samego procesu, składa się on z dwóch kluczowych etapów.

Pierwszy etap nazywa się debindingiem, czyli oddzielaniem. Wydrukowane części są umieszczane w piecu, który rozgrzewany jest do temperatury umożliwiającej usunięcie z nich polimerowego wypełniacza . Po zakończeniu tego procesu piec przechodzi do drugiego etapu zwanego spiekaniem, w którym materiał staje się w pełnoprawnym metalem. Dzięki zastosowaniu ultrawysokiej temperatury metaliczny proszek pozostały po usunięciu wypełniacza polimerowego stapia się ze sobą, przyjmując swoją docelową postać stalowej części. Na koniec części są schładzane, wyjmowane z pieca, pakowane i wysyłane pod wskazany adres.

Większość wytycznych projektowych i ograniczeń wyjaśnionych w naszej „Instrukcji drukowania 3D z metalu” jest podyktowana ograniczeniami technologii tego złożonego post-processingu. Na przykład wypełniacze polimerowe obecne w filamentach metalicznych BASF Ultrafuse stanowią około 20% ich objętości. Dlatego części po debindowaniu kurczą się o 20%. Limit rozmiaru metalowych części drukowanych w 3D jest po prostu po to, aby mieściły się do pieców Elnik.

Praca z metalami drukowanymi w 3D

Po post-processingu części wykonane za pomocą Zortrax Full Metal Package mogą zostać poddane wszelkiego rodzaju obróbce zwykle stosowanej do wykańczania metali.

Otwory w częściach mogą być gwintowane, aby zrobić miejsce na śruby lub wkręty. Materiał można też bez problemu spawać lub sterylizować w razie potrzeby. Stal drukowaną w 3D można również polerować, aby uzyskać lustrzane powierzchnie tam, gdzie to konieczne, lub szlifować, aby uzyskać porządane wymiary z dokładnością do ułamka milimetra. Stal drukowana w 3D zachowuje się jak każda inna stal.

Wiedząc, że proces drukowania 3D w metalu jest nieco bardziej złożony niż przy użyciu standardowych filamentów polimerowych, przygotowaliśmy szereg szczegółowych wytycznych i instrukcji. Można je znaleźć tutaj.

Jeśli nie ma tam poszukiwanych informacji, prosimy o kontakt z naszym Support Center. Nasi specjaliści chętnie odpowiedzą na wszystkie pytania.