LPBF

Laser Powder Bed Fusion spadá do kategorie využívající tavení prášku (Powder bed fusion). Vybraní představitelé tiskáren využívající technologii LPBF jsou zobrazeny na Obr. 17.
  
Obr. 17 Vybrané 3D tiskárny využívající technologii LPBF
Zdroj: www.dreamstime.com

Je to proces, při kterém je kovový prášek rozprostřen v tenkých vrstvách typicky o tloušťce 20µm – 100 µm na pracovní plochu o rozměrech od 50 mm x 50 mm až do velikosti 800 mm x 400 mm.  Kovový prášek je dopravován buď z násypky, nebo ze zásobárny umístěné poblíž pracovní plochy. Pro rovnoměrné rozprostření kovového prášku se používá buď vyrovnávací systém, nebo rameno s břitem. Laserový paprsek o síle mezi 20 W až 1 kW je nasměrován na rovnoměrně nanesenou vrstvu prášku, kterou při překročení teploty tání roztaví. Energie dodávaná do vrstvy prášku nezpůsobuje pouze tavení vystaveného materiálu, ale také díky tepelné vodivosti ovlivňuje oblasti v blízkosti tavné lázně. Během tuhnutí taveniny se tedy spéká předešlá, ztuhlá vrstva s novou roztavenou vrstvou. Po vystavení práškového lože laserovému paprsku se stavební deska sníží, aplikuje se další kovový prášek a opakuje se proces nanesení a roztavení nové vrstvy prášku. Po dokončení tisku může být prášek proset a být znovu zaveden do procesu. Samotná součást je upevněna na stavební desce. Během procesu je v prostoru stroje udržována inertní atmosféra tak, aby byl obsah zbytkového kyslíku nižší než 0,1 %. Do komory je přiváděn dusík nebo argon dle použitého materiálu, aby se zabránilo nežádoucím interakcím kovového prášku s jeho prostředím. Princip je zobrazen na Obr. 17.

Obr. 18 Proces metody Laser Beam Melting na stroji s dvojitou dávkovací komorou
Zdroj: www.manufacturingguide.com
 
Běžnými materiály pro kovový 3D tisk technologií LPBF jsou slitiny železa (oceli), hliníku, titanu, superslitiny na bázi niklu, kobaltu a různé další kovové materiály, které se používají v práškovém stavu (viz Obr. 18).

Obr. 19 Rozdělení typů kovových prášků pro DMLS (nově LPBF)

Oceli
Oceli jsou stále nejběžnějším materiálem používaným ve strojírenství, proto je o ně velký zájem i při výrobě pomocí aditivních technologií.  Používají se převážně austenitické nerezové oceli a vysokopevnostní oceli, které splňují typické požadavky na univerzální aplikace. Navíc splňují zvýšené požadavky na pevnost a tvrdost například pro výrobu forem nebo nástrojů.  Na jednu stranu lze využít alotropie slitin na bázi železa, schopnosti mít různou strukturu s odlišnými vlastnostmi při kombinaci s vysokou teplotou vyskytující se při tisku a dosáhnout tak unikátní mikrostruktury. Na druhou stranu, slitiny vyskytující se v různých fázích v závislosti na rychlosti ochlazení, budou citlivé na výběr parametrů dané aditivní metody a budou muset být pečlivě kontrolovány.

Výtisky z nerezové oceli dosahují u metody LPBF/SLM velmi dobrých výsledků a jsou použitelné jak pro průmyslové aplikace, tak i v letectví, automobilovém průmyslu nebo v lékařství. Výhodou jsou vysoká pevnost a odolnost proti vysokým teplotám i korozi a schopnost tvorby komplexních geometrií. Nevýhodou může být vyšší cena.

Hliníkové slitiny
Počet různých slitin hliníku pro aditivní technologie je stále poměrně omezený. Jedním z důvodů je to, že hliník je v porovnání například s titanem lehko obrobitelný a náklady na hliníkové díly poměrně nízké. Výroba hliníkových součástí pomocí aditivní technologie tak má menší obchodní výhodu. Dalším důvodem je, že mnoho slitin hliníku je obtížně svařitelných. Vysoce výkonné slitiny obvykle získávají svoji pevnost precipitačním vytvrzováním. Hliník má navíc vysokou odrazivost pro vlnové délky laseru. Dalším limitem může být nízká viskozita roztaveného hliníku způsobující pouze malé tavné lázně. Na druhou stranu mají hliníkové díly při kovovém tisku vysokou tepelnou vodivost, což snižuje vnitřní pnutí a lze tak snížit potřebu užití podpor. Kromě toho vysoká tepelná vodivost umožňuje i vyšší rychlosti tisku.

Součásti z hliníku jsou lehko obrobitelné a tažné a mají dobrý poměr pevnosti ku hmotnosti. Jsou taktéž použitelné pro průmyslové aplikace, letecký a automobilový průmysl a pro zdravotnictví.

Titan a jeho slitiny
O titan a jeho slitiny je v oblasti aditivních technologií velký zájem. Kombinuje široké průmyslové využití u dílů s vysokými požadavky na výkon, které mají vysoké náklady na obrábění konvenčními metodami a dlouhé dodací lhůty. Výroba součástí z titanu pomocí aditivních technologií tak nabízí mnohé finanční výhody. Kromě čistého titanu se široce využívá slitina Ti6Al4V i pro komerční výrobu. Titan se objevuje u metod LBM, EBM, LMD i u dalších. Velká rozmanitost mikrostruktury a alotropie titanu kombinovaná s vysokými teplotami a tepelnými cykly tisku dělá z titanu a jeho slitin jeden z nejzajímavějších materiálů pro výzkum mikrostruktury a procesů během tisku.

Používá se především v leteckém, automobilovém a zdravotnickém průmyslu díky svému výbornému poměru pevnosti ku hmotnosti. Tisk z titanu je dražší než tisk z nerezových ocelí, nebo z hliníku.

Ostatní kovy
Dalšími materiály s průmyslovým využitím jsou například superslitiny na bázi niklu pro aplikace ve vysokých teplotách a extrémních prostředí. Jednou z nejpoužívanějších superslitin niklu je Inconel, používaný stejně jako jiné superslitiny niklu pro LBM i EBM neboli pro LPBF/SLM metody. Jejich výhodou je velká odolnost proti korozi a opotřebení. Dalším materiálem je CoCr. Obě výše popsané skupiny se díky svým vlastnostem hodí pro biomedicínské aplikace a letecký průmysl. Jejich cena je však vyšší než u ocelí, nebo hliníku. Tisk je prováděn i například s tantalem, zlatem a mědí.
 
Porovnání kovů a jejich vlastností
Pro porovnání byly vybrány běžně používané kovové prášky (viz Tab. 2) vhodné pro aditivní výrobu metodou LPBF.

Tab. 2 Porovnání kovových prášků používaných u LPBF

Zdroj: www.forecast3d.com