Nowe materiały dla technologii druku 3D

Implant wytworzony w technologii 3D i proszek uzyskany przez jego atomizację

Implant wytworzony w technologii 3D i proszek uzyskany przez jego atomizację

W technice dostępnych jest kilkanaście tysięcy różnych materiałów. Ale tylko ok. 20 z nich wykorzystuje się do druku 3D z metali. Nowe pojawiają się na rynku powoli, ponieważ do opracowania parametrów ich wytwarzania oraz ich samego przygotowania potrzeba specjalistycznych urządzeń, dużo czasu i pieniędzy. Naukowcy z Wydziału Inżynierii Materiałowej Politechniki Warszawskiej opracowali technologię, która rozwiązuje te problemy.

– Najpopularniejszą technologią druku z metali jest laserowe przetapianie proszków – wyjaśnia prof. dr hab. inż. Wojciech Święszkowski, Kierownik Zakładu Projektowania Materiałów na Wydziale Inżynierii Materiałowej Politechniki Warszawskiej, który wraz z Dziekanem Wydziału Inżynierii Materiałowej prof. dr hab. inż. Jarosławem Mizerą kierują pracami laboratorium druku 3D metali. – Materiał rozprowadzany jest równomiernie, a następnie topiony, tak żeby odwzorować przekrój wytwarzanego elementu. Następnie nanosi się kolejną warstwę proszku i ponownie przetapia, łącząc przekroje ze sobą. Roztopiony metal pozostaje w stanie ciekłym jedynie przez ułamek sekundy, przez co jego struktura pozostaje nierównowagowa, a właściwości mogą być lepsze niż w tradycyjnie otrzymywanych materiałach. 

– Pełne wykorzystanie tego efektu można obserwować w materiałach nanokrystalicznych i amorficznych – mówi inż. Łukasz Żrodowski, twórca nowej technologii produkcji proszków i prezes spin-offu Amazemet. – Istnieją materiały takie jak szkła metaliczne, z których trójwymiarowe lite obiekty są często niemożliwe do uzyskania innymi metodami. Sprawia to, że druk 3D z metali jest nie tylko procesem formowania kształtu, ale również syntezy materiałów o ulepszonych właściwościach.

Wieloletnie doświadczenie

Prace nad technologią SLM na Wydziale Inżynierii Materiałowej prowadzone są od 2011 roku.

– W tym czasie była to w Polsce całkiem nowa technologia, pierwsze urządzenie laboratoryjne, Realizer SLM 50, zostało zakupione w ramach projektu CePT – mówi dr inż. Bartłomiej Wysocki, który prawie 8 lat temu rozpoczął prace na WIM PW dotyczące druku 3D metali. – Nadrobiliśmy wiedzę, której w tym czasie w Polsce nie było, szkoląc kolejne pokolenia operatorów i ekspertów. Na szczęście okazało się, że jesteśmy w stanie prowadzić badania na światowym poziomie, wdrażając opracowane innowacje i publikując w najlepszych światowych czasopismach. Od tego czasu wypromowaliśmy dziesiątki technologii w ramach projektów strategicznych i zamawianych, które były realizowane w naszym laboratorium. Prace koncentrowały się głównie na materiałach na rusztowania dla inżynierii tkanki kostnej i medycyny regencyjnej.

W 2019 roku Wydział Inżynierii Materiałowej PW wzbogacił się o nową maszynę EOS M100, dedykowaną do wytwarzania materiałów dla lotnictwa i transportu. – Prowadzone prace badawcze ukierunkowane są głównie na wytwarzanie żaroodpornych, żarowytrzymałych nadstopów niklu – mówi dr inż. Ryszard Sitek, opiekun laboratorium druku 3D z Grupy Lotniczej Zakładu Projektowania Materiałów. 

Nowe materiały

Szybko okazało się, że technologia SLM pozwala na otrzymywanie materiałów o zmienionych właściwościach.

– Nie tylko cienkościenne struktury komórkowe, ale także zmiana składu chemicznego, np. poprzez kontrolowane zwiększenie zawartości tlenu w trakcie wydruku pozwalają na uzyskanie lepszych materiałów – mówi dr inż. Bartłomiej Wysocki – opiekun części biomateriałowej laboratorium druku 3D i prezes spółki MaterialsCare, która komercjalizuje rozwiązania medyczne opracowane w laboratorium. – Od początku działania laboratorium eksperymentowaliśmy z różnymi stopami tytanu (m.in.  Ti6Al4V i Ti6Al7Nb) oraz kompozytami na bazie tytanu i ceramiki. Od 2014 roku prowadziliśmy pracę nad szkłami metalicznymi, które zakończyły się ich spektakularną komercjalizacją przez sprzedaż zgłoszenia na rzecz Heraeus GmBH.

 

Wydruk w technologii 4D z kompozytu na bazie szkła metalicznego ZrCuAlNb

Wydruk w technologii 4D z kompozytu na bazie szkła metalicznego ZrCuAlNb

Własne urządzenie

– Tradycyjne metody otrzymywania proszków wymagają albo wysokich nakładów kapitałowych, albo wieloetapowej procedury formowania materiału w drut – tłumaczy inż. Łukasz Żrodowski. – W obydwu przypadkach szybkie wytworzenie proszku nadającego się do druku 3D było niemożliwe.

Dlatego na Wydziale Inżynierii Materiałowej już w 2016 powstał pomysł, aby stworzyć własne urządzenie – idealnie dostosowane do wykorzystywanej technologii i potrzeb badaczy. Dzięki temu, zamiast produkować przemysłowe ilości materiałów na wielkim, przemysłowym sprzęcie, czekać na nie tygodniami i płacić tysiące euro, naukowcy będą mogli uzyskiwać dokładnie tylu materiału, ile potrzebują i szybko sprawdzać jego właściwości. To znacząco usprawni prace badawcze.

Cząsteczka proszku szkła metalicznego ZrCuAlNbW i stopu magnetokalorycznego NiMnGa

Cząsteczka proszku szkła metalicznego ZrCuAlNbW i stopu magnetokalorycznego NiMnGa

Zintegrowany system

Rozwiązanie opracowane na Politechnice Warszawskiej pozwala wytworzyć proszek sferyczny o wysokiej jakości, niezależnie od początkowej formy materiału. Mogą to być czyste pierwiastki lub wcześniej wytworzony stop, a nawet zniszczone wcześniej wydruki. Takie zaprojektowanie całego procesu umożliwia przeprowadzenie pełnego cyklu produkcyjnego na jednym urządzeniu. W połączeniu z drukarkami do metali typu SLM (które już znajdują się na wyposażeniu Wydziału Inżynierii Materiałowej) oraz nowym laboratorium technik przyrostowych tworzy to zamknięty system badawczo-produkcyjny.

Z możliwości nowego urządzenia z pewnością już teraz skorzystają trzy działające na Wydziale zespoły wykorzystujące druk 3D w metalach: grupa biomateriałów, zespół materiałów dla lotnictwa oraz zespół materiałów konstrukcyjnych i funkcjonalnych. – Chcemy, żeby urządzenie służyło badaczom, a także samo w sobie promowało naszą technologię – zaznacza inż. Łukasz Żrodowski.

Schemat technologii rePowder wdrażanej przez spin-off Amazemet

Schemat technologii rePowder wdrażanej przez spin-off Amazemet

Tekst pochodzi ze strony https://www.pw.edu.pl