3D additív gyártott alkatrészek hőkezelése

Fémalkatrészek 3D additív gyártásában jelenleg két fő módszert alkalmaznak. Ezek ugyan időigényesek, de képesek olyan bonyolult vagy ‘lehetetlen’ alkatrészek előállítására, melyek hagyományos öntési vagy forgácsolási módszerekkel nem lennének megvalósíthatók. Ennek eredményeképpen már számos prototípus darabot ill. ‘lehetetlen alkatrészt’ gyártottak a repülőgép-, az autó-, a szerszámgépipar és a gyógyászati szektor számára.

A vákuumkamrában végzett elektronsugaras gyártás (Electron Beam Manufacturing: EBM) nem igényli a legyártott alkatrészek hőkezelését. Fémporokat vagy fémszálakat (pl. titán, Ti-6AI-4V, CoCr, Inconel 718 és Inconel 625) hegesztenek össze rétegenként elektronsugár mint hőforrás segítségével, s e folyamat tökéletesen tömör fémalkatrészeket eredményez. A vákuum alatt végzett eljárás meggátolja az anyagok oxidációját.

A közvetlen fém lézerszinterelés (Direct Metal Laser Sintering: DMLS) módszere lézert alkalmaz tiszta, inert argon atmoszférában. Az eljárás digitálisan vezérelt, közvetlenül a 3D CAD adatok segítségével. A CAD kép mindegyik metszeténél finomra szitált fémpor (Ti6Al4V titánötvözet, kobalt-króm, rozsdamentes acél, Inconel 625 ill. Inconel 718 nikkelötvözet és AlSi10Mg alumíniumötvözet) vékony, egyenletes rétegét viszik fel a felépítő lemezre, majd a por kiválasztott területét lézerrel pontosan megolvasztják. Az eljárást rétegről-rétegre újra megismétlik, míg a teljes kép el nem készül.
DMLS módszerével nagyon kicsiny alkatrészek ill. lehetetlen geometriák pl. egymásba tár terek alakíthatók ki. A rétegvastagság 20 mikron, a kicsiny alkatrészek méreteltérése ±50 mikron lehet. Jelenleg még lassú a DMLS eljárással gyártott alkatrészek előállítási sebessége. A költségek is nagyok, mivel még a gyártás előtt a nyersanyagként szolgáló fémporokat golyós malomban/őrlőben elő is kell állítani, megszitálni és ellenőrizni. A jelenlegi DMLS gyártás még nyilvánvalón tetemes beruházást ígényel. Ám, ha a kívánt alkatrész mérete 250mm x 250mm x 350mm alatti, akkor az eljárás már ma is megfelelhet, azoknak, akik gyors prototípus vagy néhány, ám bonyolult vagy ‘lehetetlen’ alkatrész kialakítását kívánják, melyek azután tovább megmunkálhatók. Porbevonattal elláthatók, befesthetők, polírozhatók vagy anódizálhatók.
A 3D additív gyártás piaca gyorsan bővül. Szaklapok, weboldalak, kiállítások sokasodtak meg, ahogy a 3D gyártási idők csökkentek, a gyártott alkatrészek max. méretei nőttek, a fémporok elérhetőbbé váltak és a repülőgép-, szerszámgép- és autóipar számára ilyen módon gyártott alkatrészek egyre nagyobb mértékben elfogadottá váltak.

3D additív gyártott alkatrészek hőkezelése Carbolite Gero kemencében

A DLSM eljárás pontos hőmérséklethomogenitású hőkezelést ígényel. Ez biztosítja, hogy a gyártott részek illeszkednek a választott fémötvözet megfelelő metallurgiai tulajdonságaihoz. 

A hőkezelés inert (jellemzően argon) atmoszférában megy végbe, hogy a szinterelt alkatrész ne szennyeződjék oxigénmolekulákkal, melyek megváltoztathatják a végtermék kémiai és fizikai (porozitási) tulajdonságait. Ennek az inert eljárásnak jól mért gázárammal megismételhetőnek kell lennie, hogy teljesülhessen a felhasználó által megadott AMS 2750E besorolás. Valóban az egyik speciális kivitelezésben a teljes gyártási folyamat alatt az atmoszféra oxigénszintje <1000ppm (0.1%), ami még 100ppm (0.01%) oxigénszintre is csökkenhető, ha titánhoz hasonló reaktív fémet használnak fel.
A CARBOLITE GERO cég B típusú műszerezettségű általános felhasználású kamrás kemencéje (GPC) megfelel az AMS 2750E Class 1 követelményeknek, ha a kemencét Inconel vagy Haynes 230 retortával szerelik fel. Különböző méretű (CWF 13/65 vagy GPC 13/131, 13/200, 13/300, 13/350 & 13/405) kemencék szerezhetők be, melyek a DMLS additív gyártási eljárásban ideális 1-4 db építő lemezt képesek befogadni.

A legújabb GPC 13/300 retortás kemence hasznos térfogata 400mm x 400mm x 350mm, automatikus gázszabályozását Eurotherm 3508 hőmérsékletszabályozó és 6180 XIO adatgyűjtő támogatja. A retorta lévő módosított atmoszférája  argon/nitrogén gázáramát és nyomnyi oxigénszintjét folyamatosan ellenőrzik. A CARBOLITE GERO cég GPC kemencéiben a fűtőelemek a kemencealj alatt vannak elhelyezve, ám ezeket még kiegészítik a kemence tetejében és oldalfalában elhelyezett fűtőelemek, melyek javítják a retorta belsejében elhelyezett hőelemek által mért  hőmérséklet homogenitását. A retortába helyezett kaszkád hőmérsékletszabályozók gyorsabb felfűtést tesznek lehetővé, melyek az opcionális gyorsított hűtés kiépítésével együtt lényegesen csökkentik az eljárás ciklusidejét.
A ciklusidő további rövidítése érdekében a GPC 13/300 kemence hőmérséklet-vezérelt ajtónyitással is fel van szerelve, ami gyos és kényelmes betöltést/ürítést tesz lehetővé. A kemenceajtó vízhűtésű, szilikongumi tömítéssel van ellátva, mely a teljes hőkezelési folyamat alatt fenntartja a kamrabelső módosított atmoszféráját.

GPC 13/300 kemence retortával

Összefoglalás

A CARBOLITE GERO cég GPC kemencéit kifejezetten a legmagasabb igényű 3D additív gyártási eljárásokhoz alakították ki. Tudatosan meggátolták a más gyártók kemencéinél gyakran megtapasztalt problémák előfordulását. 

Más kemencék használói legtöbbször az inert atmoszféra megtartása képtelenségére, a drága inert gázok nagy mennyisége vagy a retorta betöltése/ürítése feladatát végző extra berendezés szükségességére panaszkodnak. Az összes ilyen hátrányt kiküszöbölte a CARBOLITE GERO cég, s így a rutin működési költség minimális lehet; a nemkívánt oxidáció megszűnt, a hőmérséklethomogenitás “a legjobb a maga nemében”. S ami a legfontosabb: a gyártási ciklusidők jelentősen lecsökkentek, köszönhetően a négyoldali fűtésnek, a gyors lehűtésnek, az egyedülálló vízhűtésű szilikontömítésű kemenceajtó által biztosított gyors és kényelmes betöltésnek/ürítésnek.
A berendezések legjobb bemutatása érdekében a CARBOLITE GERO cég felkínálja az érdeklődő felhasználóknak, hogy most validáltathatják DMLS gyártott alkatrészeik hőkezelési eljárását. E teszt költsége csak £800/alkatrész és teljes egészében beszámítódik egy, az AMS 2750E besorolás követelményének megfelelő CWF 13/65 vagy GPC 13/300 kemence rendelése esetén.
A DMLS gyártott alkatrészek hőkezelése további megbeszélése érdekében forduljanak munkatársainkhoz: Mányai György Verder Hungary Kft. +36 70 672 0646 vagy Richard Bilson és Paul Haigh CARBOLITE GERO +44 (0)1433 620011.