Technologia druku 3D szkieł metalicznych

Naukowcy z Wydziału Mechanicznego Politechniki Wrocławskiej pracują nad technologią druku 3D szkieł metalicznych. Dzięki niej możliwe będzie wytwarzanie większych i bardziej wytrzymałych elementów maszyn i urządzeń. Miesiące badań laboratoryjnych przynoszą już pierwsze zadowalające wyniki, a sam projekt zyskał nagrodę Stowarzyszenia Inżynierów i Techników Mechaników Polskich.

Zespół prof. Andrzeja Ambroziaka z Katedry Materiałoznawstwa, Wytrzymałości i Spawalnictwa na W10 od prawie dwóch lat skupia się na problemie wytwarzania – poprzez technologie generatywne (popularnie i w uproszczeniu nazywane drukiem 3D) – elementów mechanicznych z materiałów amorficznych na bazie żelaza. Ich badania zostały właśnie docenione trzecią nagrodą w konkursie Stowarzyszenia Inżynierów i Techników Mechaników Polskich (SIMP) w kategorii „prace i stanowiska naukowo-badawcze”. Zespół tworzą oprócz prof. Ambroziaka także dr inż. Aleksandra Małachowska z Politechniki Wrocławskiej i dr hab. inż. Wirginia Pilarczyk, prof. Politechniki Śląskiej.

Szkła… niczym plastik i metal
Materiały amorficzne mają strukturę pośrednią między stanem krystalicznym a ciekłym. Powstają w wyniku bardzo intensywnego chłodzenia, które powoduje, że ciecz metaliczna przekształca się w stan stały bez utworzenia struktury krystalicznej. Strukturę amorficzną mają szkła metaliczne, o których mówi się, że są połączeniem wszechstronności plastiku z wytrzymałością i trwałością metalu. Są też bardzo odporne na korozje, a poddane późniejszej obróbce cieplnej zyskują bardzo korzystne właściwości magnetyczne. Ograniczenia wynikające z metod produkcji tych szkieł sprawiają jednak, że ich zastosowanie jest mniejsze niż można by oczekiwać.

Do tej pory bowiem elementy o strukturze amorficznej wytwarza się poprzez odlewanie albo tzw. thermoforming, czyli kształtowanie termiczne. Pierwsza z metod pozwala na uzyskiwanie prostych geometrii odlewanych elementów – mogą to być np. pręty albo płyty o grubościach dochodzących maksymalnie do kilku milimetrów w zależności od zastosowanego stopu. Druga technologia przypomina obróbkę tworzyw sztucznych – szkło formowane jest w niej w stanie przechłodzonej cieczy pomiędzy temperaturą zeszklenia a temperaturą krystalizacji. Dzięki temu powstają bardzo gładkie powierzchnie, a struktury nanometryczne są dokładnie odwzorowane. Krótki czas tego procesu sprawia jednak, że wytwarzanie rozbudowanych i dużych elementów nie jest możliwe.

Pomogą jeziorka ciekłego metalu
Naukowcy z W10 postanowili więc spróbować technologii generatywnych, które mogą rozwiązać ten problem.

– Badania dotyczące wykorzystywania tych technik do tworzenia masywnych szkieł metalicznych są prowadzone jeszcze w kilku miejscach na świecie, ale podobnie jak u nas, od niedawna. Do tej pory powstało niewiele publikacji na ten temat, a te istniejące potwierdzają duży problem z pękaniem wyprodukowanych elementów i niejednorodnością ich składu chemicznego – opowiada prof. Andrzej Ambroziak. – Nasz zespół na razie skupił się na technologii selektywnego laserowego przetapiania, czyli SLM (z ang. Selective Laser Melting), która minimalizuje wady dotychczas stosowanych metod. Możemy produkować większe elementy, bo konieczna w przypadku materiałów amorficznych wysoka prędkość chłodzenia jest osiągana w miejscu działania lasera dla jeziorka ciekłego metalu o małej objętości. Dzięki temu możemy wytwarzać elementy o dowolnym kształcie i wymiarze. Oczywiście także i my mamy problemy z pękaniem, ale w przypadku części badanych materiałów osiągamy już zadowalające wyniki.

Zespół prof. Ambroziaka bada materiały na bazie żelaza, wychodząc z założenia, że przedsiębiorstwa zainteresowane zastosowaniem elementów wytwarzanych w tej technologii będą liczyły na stosunkowo niskie koszty ich produkcji lub zakupu. Dlatego właśnie naukowcy postawili na żelazo, a nie np. bardzo drogi pallad.

– Wykorzystujemy proszki na osnowie żelaza z dodatkami, np. z fosforem, ale także z innymi materiałami – kontynuuje prof. Ambroziak. – Nie wiemy, który będzie miał najlepsze właściwości. Zbadamy kilka, a może kilkanaście z grupy tych, o których wiemy, że wykorzystywane w odlewaniu gwarantują dobrą jakość produkowanego elementu. To jednak wcale nie musi się przełożyć na ich właściwości w wytwarzaniu metodą SLM. Stąd konieczne są szerokie badania. Duże znaczenie mają też m.in. prędkość i moc lasera, grubość spiekanej warstwy, prędkość skanowania czy odległość pomiędzy poszczególnymi naświetleniami wiązki. Nawet niewielkie zmiany w każdym z tych parametrów mogą znacząco wpłynąć na jakość wytwarzanego elementu.

– Pracujemy też nad tym, żeby zmniejszyć niedopasowanie współczynników rozszerzalności cieplnej nadrukowywanych warstw i podłoża – opowiada dr inż. Aleksandra Małachowska. Drukujemy elementy na podłożu z inwaru. To stop żelaza na bazie niklu o bardzo niskiej rozszerzalności cieplnej podobnej do szkła. Gwarantuje to nam zminimalizowanie pęknięć.

Współpraca z partnerami z Niemiec
Część prac badawczych została wykonana w ramach projektu Cornet realizowanego wspólnie przez Wydział Mechaniczny PWr, niemieckich partnerów: DVS-FV (Forschungsvereinigung Schweißen und verwandte Verfahrene.V.) i Technische Universität Chemnitz oraz Fundację Nanonet.

– Dotyczyły wytwarzania proszków na bazie żelaza, których potrzebowaliśmy, żeby w ogóle zacząć badania – wyjaśnia dr Małachowska. – Na rynku dostępnych jest oczywiście wiele różnych proszków do technologii generatywnych, ale ich podaż jest zależna od popytu. Te wykorzystywane na co dzień są produkowane w tonach. Te stosowane na niewielką skalę wytwarza w małych ilościach niewiele firm. Jeśli ktoś potrzebuje proszku nietypowego, który nie znalazł jeszcze zastosowania, często nie ma szans na znalezienie go i musi szukać miejsca, w którym wytworzy go na własne potrzeby. Tak właśnie było z nami. Nasze proszki na bazie żelaza wyprodukowaliśmy w Chemnitz.

Do tej pory naukowcy wytworzyli z tych proszków próbki o kształcie płytek i walców, które następnie poddali szeregowi badań – struktury, morfologii i składu chemicznego oraz badaniom mechanicznym (m.in. badaniom twardości i wytrzymałości na ściskanie) i termicznym.

– Teraz będziemy sprawdzać granice plastyczności wytworzonych elementów – opowiada dr Małachowska. – Problemem stopów żelaza jest ich stosunkowo mała plastyczność. Dlaczego to utrudnienie? Spróbuję to wyjaśnić obrazowo. Jeśli mamy jakąś konstrukcję, która zostaje obciążona, to jej konstruktorom zależy na tym, by pojawiły się dość oczywiste znaki wskazujące na to, że za chwilę może ona ulec zniszczeniu, np. wygięcia. Chodzi o „zapas bezpieczeństwa”, o to, by nie dochodziło do sytuacji, że konstrukcja wydaje się być w świetnej formie, po czym dochodzi do granic wytrzymałości i dokonuje się jej zniszczenie, czego nie sposób było przewidzieć, bo nic na to nie wskazywało. Rozwiązaniem kwestii małej plastyczności jest odpowiedni dobór składników stopowych lub ewentualne tworzenie kompozytów na bazie tych stopów.

Dużą zaletą badanych elementów jest jednak ich wytrzymałość. Naukowcy wyliczyli, że próbki ze szkła metalicznego powstałego z proszku na bazie żelaza mają wytrzymałość rzędu dwóch tysięcy megapaskali (MPa) – dla porównania ta wartość dla stali konstrukcyjnej to „zaledwie” 355 MPa.

Nie tylko SLM
– Nasze prace mają na razie charakter naukowo-badawczy. Nie oznacza to jednak, że nie myślimy już o kolejnym kroku, jakim są możliwości aplikacji opracowanej przez nas technologii – zaznacza prof. Ambroziak. – Sądzimy, że w przyszłości posłuży ona np. do produkowania na dużą skalę elementów mechanicznych takich jak matryce czy wykrojniki. Już teraz prowadzimy rozmowy z jedną firmą zainteresowaną tym tematem. Na razie jednak za wcześnie, by mówić o szczegółach.

Naukowcy dotąd prowadzili badania możliwości selektywnego laserowego przetapiania, nie wykluczają jednak, że będą korzystać także z innych technologii przyrostowych jak EBM (do topienia sproszkowanego metalu wykorzystuje się wiązkę elektronów) czy LENS-Laser Engineering Net Shaping (polega na miejscowym aplikowaniu materiału sproszkowanego i następnie spiekaniu laserowym) albo metodzie cold spray. Ta ostatnia polega na rozpędzeniu do wysokiej prędkości cząstki proszku, który jest następnie uderzany w podłoże, gdzie plastycznie się deformuje.

– To technologie przyszłości – podkreśla prof. Ambroziak. – Jesteśmy pewni, że dzięki nim uda się rozwiązać wiele problemów, które do tej pory ograniczały zastosowanie różnych materiałów w wielu gałęziach przemysłu.