Valamennyi 3D-s nyomtatási módszernek van egy közös sajátossága, mégpedig az, hogy a bonyolult háromdimenziós modelleket rétegről rétegre építik fel az adott modell háromszög alakú lapkákból kialakított felületmodelljének (STL modell) „szeletelésével” és a vékony, általában 0,02–0,03 mm vastag szeletek automatikus egymásra építésével. A rétegről rétegre vékony szeletekből, azaz rétegekből előállítható prototípusok anyagválasztéka mindig az adott eljárás lehetőségeihez igazodik. A szelektív lézeres szinterezést jelentő SLS (selective laser sintering) (1) technológia többféle alapanyagból is képes rétegenként háromdimenziós modelleket előállítani.

Nem csak látványmodellhez

Az SLS technológia legfontosabb ismérve, hogy az automatikusan, rétegről rétegre terített porszemcsék lézerenergiával kerülnek összeolvasztásra minden egyes réteg vonatkozásában szelektíven, azaz csak azon a területen, ahol az adott modell adott magasságban lévő szeletének területe az megkívánja.

Az SLS eljárásnál először a poliamid (PA) porszemcséket használták fizikai modellek gyártására. A poliamid porszemcsék összeolvasztását a pontosan szabályozott lézer energiájával úgy sikerült megoldani, hogy a kész modell szilárdsági paraméterei megközelítik a fröccsöntött PA alkatrészek tulajdonságait – azaz nemcsak látványmodellként lehet azokat használni, hanem sokféle fizikai, funkcionális tesztelés elvégzését, illetve kiértékelését is lehetővé teszik.

A (2) ábrán két SLS eljárással készült prototípus látható, a bal oldali alkatrész poliamid porból, míg a jobb oldali alumíniumporral erősített poliamid por összesütéséből keletkezett. A különböző poliamid porkeverékekből készített modellek fizikai paraméterei igen meggyőzőek (3).

A PA alapanyagú SLS eljárás alkalmas kis sorozatok gyártására is anélkül, hogy bármiféle szerszámozási és fröccsöntési költséggel kelljen számolnunk. Az eljárást ilyenkor rapid manufacturingnak nevezik – illetve az USA-ban inkább az additive manufacturing az elfogadott megnevezés. Ilyenkor a felmerülő igényeknek megfelelő mennyiséget akkor gyártják le az adott termékből, amikor arra szükség van (manufacturing-on-demand). A ábrán egy olyan kábelrögzítő termék látható, amely korábban 25 különálló alkatrész összeszerelésével alakult ki. Az SLS eljárással az összeállítás alkatrészeinek száma ötre csökkent, és ezek is egyszerre készülnek rétegről rétegre, beleértve a csapokat és egyéb kapcsolódást biztosító elemeket is – más szavakkal rétegről rétegre „bennszülött” konstrukciókat is le lehet gyártani, amely megközelítés a gyakorlatban teljesen újnak számít.

Szerszámok gyors előállítása

Természetesen az anyagában pontosan megegyező prototípusokat szerszámban lehet az igényeknek megfelelően előállítani az ismert technológiák alkalmazásával. Ezek közül a legfontosabbak a műanyagok fröccsöntése, préslég- és vákuumformázása, különböző fémek nyomásos és kokillaöntése, poliuretánok habosítása, precíziós, kerámiaöntéssel előállítható termékek viaszmintáinak előállítása és fémlemezek alakítása mélyhúzással, sajtolással vagy hajlítással.

Ennek megfelelően a legfontosabb rapid prototyping-rapid tooling fejlesztési irány az olyan szerszámok gyors előállíthatóságának kidolgozása, amelyek funkcionalitásukban hasonlítanak a hagyományosan alkalmazott, forgácsolt, szikraforgácsolt, hőkezelt és köszörült acélszerszámokéhoz, de az acél helyett más anyagokkal és az ezekhez igazodó gyártási technológiákkal állítják elő a szerszám kívánt alakadó betéteit.

A gyors prototípusgyártásból kialakuló gyors szerszámkészítési eljárások egyik fő csoportja, az úgynevezett direct rapid tooling azokat az eljárásokat fogja össze, amelyek segítségével közvetlenül állíthatunk elő szerszámokat, illetve azok alakadó betéteit. A magasabb hőmérsékletű alakításhoz (például műanyagok és fémek nyomásos öntése) a közvetlen gyors szerszámkészítésnél a szükséges szerszámbetéteket a gyors prototípusgyártáshoz hasonlóan rétegről rétegre, fémpor összesütésével hozzák létre. Az eljárásnál a szelektív lézeres szinterezésnél megszokott poliamid por helyett különböző fémporokat olvasztanak össze – természetesen nagyobb energiát (minimum 200 W) adó lézer segítségével.

Ígéretes fémpor szerszámgyártáshoz

Az SLS technológia legjelentősebb fejlesztője és gyártója a német EOS GmbH. Folyamatosan finomítják az eljárást, ma már 20 mikronos rétegvastagsággal tudják építeni a szerszámok alakadó betéteit is. Legfontosabb kutatási és fejlesztési területük az újabbnál újabb alapanyagok ipari alkalmazásba vétele. Szerszámgyártási szempontból talán az EOS MaragingSteel MS1 fantázianevű fémpor a legígéretesebb.

Az EOS MaragingSteel MS1 kémiai összetétele megegyezik az amerikai szabványban leírt 18% Ni Maraging 300-as acélnak, európai szabványszáma 1.2709, míg a német szabvány X3NiCoMoTi18-9-5 anyagként jelöli. Ez az acélminőség a nagy sorozatú fröccsöntő szerszámok alapanyaga, egyik nagyon kedvező jellemzője pedig, hogy az ausztenit-martenzit átalakulás viszonylag alacsony hőfokon valósítható meg.

Ez azt jelenti, hogy a rétegről rétegre összeolvasztott modellünket egy egyszerű kemencében 640 °C-ra hevítjük és 2-3 óra hőn tartás után levegőn hűtjük le. Ezzel az edzési, öregítési eljárással a kész alkatrészünk körülbelül 52-54 HRC keménységű lesz, amely megfelelő érték a fröccsöntő szerszámok vonatkozásában is. Meg kell még említeni, hogy az EOS MaragingSteel MS1 alapanyagból épített szerszámbetéteket jól lehet megmunkálni, elsősorban polírozni.

Ha a vázolt SLS eljárással építjük fel szerszámbetétünket rétegről rétegre, akkor lehetőségünk van arra, hogy az adott alkatrész geometriáját, formáját követő szerszámbetéteink alakját követhesse a hűtés furatrendszere is. A formakövető hűtést angolul conformal coolingnak nevezik.

Formakövető hűtés

Az (5) ábrán látható szerszámbetétből kimetszettünk egy darabot annak érdekében, hogy beleláthassunk, és a térbeli, formakövető furatrendszert meg lehessen szemlélni. Hogyan lehet tehát ilyen „kanyarfuratokat” készíteni? Az SLS eljárás rétegről rétegre történő építkezése során a furatok egyes metszeteinél a lézersugár nem olvasztja meg a furatban lévő porszemcséket, csak a szerszámtest tömör részét. A teljes szerszámbetét legyártása után, a furatokból az össze nem olvasztott porszemcsét sűrített levegővel el kell távolítani, és a formakövető furatrendszerünk azonnal képes fogadni a hűtőfolyadékot.

A formakövető hűtőrendszerünk kialakításánál több szempontot ajánlatos figyelembe venni. Mindenképpen érdemes az Autodesk Moldflow Insight szimulációs szoftver segítségével megtervezni a szerszámbetét hőcserélési paramétereit. Törekedni kell arra, hogy a szerszámbetétünk hőmérséklete a teljes fröccsöntési ciklus folyamán a lehető legegyenletesebb legyen.

Mint a (6) ábra jobb oldalán is látható, egyes esetekben a szimuláció eredményének fizikai megvalósítása meglehetősen tekervényes hűtőfurat kialakítását tanácsolja. Mintegy 2,5 mm-es távolsággal érdemes követni szerszámbetétünk alakadó felületét. Ezzel az értékkel javasolt kezdeni a tervezést, majd az Autodesk Moldflow Insight fröccsöntési szimulációs szoftverrel lehet finoman beállítani a formakövető furatok keresztmetszetét és egyéb geometriai paramétereit. A 2,5 mm körüli távolság biztosítja egyrészt az optimális hűtést, másrészt elegendő keresztmetszet áll rendelkezésre az optimális fröccsöntési nyomás és az ehhez illeszkedő szerszámzáró erő kifejtéséhez.

A kitűzött célok teljesíthetők

A legfontosabb cél a ciklusidő csökkentése. A formakövető hűtőrendszer rétegről rétegre történő kialakításával 40-50 százalékkal lehet csökkenteni a ciklusidőt. Ez rendkívül magas érték, gondoljunk csak arra, hogy 50 százalékos ciklusidő-csökkenés esetén az év 12 hónapja a hasznos termelési idő a korábbiakhoz képest gyakorlatilag meghosszabbodik további ugyanennyi hónappal. Ennek a járulékos tizenkét hónapnak a kapacitása, illetve az ebből fakadó többletbevételi lehetőség jól számítható és egyben termelékenységben jelentős versenyelőnyt biztosít a konkurenciához képest.

A formakövető hűtés másik rendkívül nagy előnye, hogy az ilyen hűtéssel ellátott szerszámok élettartama mintegy 70 százalékkal megnövekszik. Ha korábban egy szerszámot 1 millió ciklusra terveztünk, akkor formakövető hűtéssel a várható élettartam 1 700 000 „lövés” körül fog kialakulni, amelynek gazdasági előnyei önmagukért beszélnek.

Nagyon érdekes megfigyelni, hogy a formakövető hűtés kialakítására az utóbbi időkben a fröccsöntő gépek gyártói is felhívják a felhasználók figyelmét. Azt mondják, hogy a mai korszerű fröccsöntő gépek teljesítménye, illetve képességei lehetővé teszik a mindenki által vágyott ciklusidő-csökkentést – de a hagyományos, egyenes furatokkal készített szerszámok hőcserélésének ideje nem teszi lehetővé e képességek kihasználását.

Összefoglalva kijelenthetjük, hogy a szelektív lézeres szinterezés – mint a 3D-s nyomtatás egyik formája –, illetve annak alkalmazása jelentős, számszerűsíthető többletbevételt és így mérhető értéket képes teremteni, valamint biztosíthatja versenyképességünk fenntartását a nem igazán kedvező gazdasági környezetben is.