Ústav strojírenské technologie Fakulty strojního inženýrství VUT (ÚST VUT) v Brně nyní dokončuje projekt s názvem „Analýza tvářitelnosti a svařitelnosti materiálů vyrobených 3D tiskem drátovou metodou“, jehož cílem bylo ověřit možnosti dalšího zpracování dílů vytvořených nanášením vrstev kovů a vytvořit materiálový model pro numerické simulace.
3D tisk funkčních dílů z plastů i kovu se stal běžnou součástí průmyslového života. Tisknou se prototypy, formy, díly v malosériové výrobě a s pomocí aditivních technologií se renovují i obráběcí a tvářecí nástroje. Snahy o další vylepšování aditivních technologií však neustávají.
Postupů a materiálů vhodných k 3D tisku je velmi mnoho. Tým vědců pod vedením Jana Řiháčka z Odboru technologie tváření kovů a plastů ÚST VUT v Brně se však zaměřil na obloukovou metodu CMT (cold metal transfer) aplikovanou na robotickém pracovišti s robotem Kuka. CMT svařování (ani CMT 3D tisk) není žádnou novinkou. V porovnání s běžným svařováním v ochranné atmosféře plynů (MIG — metal inert gas / MAG — metal active gas) je výhodný především malým vneseným teplem a mimořádně stabilním svařovacím procesem. Jde o ověřenou metodu, která slouží primárně ke svařování křehkých kovových materiálů. Proto se vědci z Ústavu strojírenské technologie zaměřili trochu jinam.
„Hledali jsme, jaké procesní parametry jsou pro 3D tisk při použití nízkouhlíkové a korozivzdorné oceli ideální pro to, aby měla struktura z hlediska tvářitelnosti a svařitelnosti ideální charakteristiky i vlastnosti a aby vydržela provozní zatížení,“ vysvětluje Jan Řiháček s tím, že pro případnou budoucí aplikaci v průmyslu bylo třeba zjistit a otestovat, např. jaký ochranný plyn užívat a jaké jsou optimální parametry 3D tisku, tedy nastavení proudu, napětí, rychlosti apod. „Také nás zajímalo, jak se u vytištěného výrobku mění vlastnosti s dynamickým či statickým zatížením. Naším cílem tedy bylo mj. i vytvořit materiálový model pro budoucí numerické simulace.“
Podle Jana Řiháčka se většinou vlastnosti aditivně vyráběných vzorků testují tak, že se navaří, a pokud vyhovují stran požadovaných rozměrů, drsnosti, mikro- a makrostruktury, podrobí se též zkoušce v trhacím stroji, kdy je výsledkem většinou kvazistatická charakteristika, tedy tahový diagram.
Příklad vytištěného dílce
My jsme ale přidali ještě dynamické zkoušky, což myslím, že na 3D tiskových vzorcích málokdo při takových rychlostech dělá,“ pokračuje a dodává, že materiálové modely pro dynamickou numerickou analýzu zatím v databázích numerických softwarů chybí.
„Najdete spíše informace o přídavném materiálu. Když ale projde procesem 3D tisku, jeho charakteristiky se výrazně promění. Jenže dopředu nevíte, jak moc se změní. Numericky simulovat celý 3D tisk sice realizovat lze, např. v Ústavu přístrojové techniky AV ČR to dělají, ale je to věc velmi riskantní, protože simulace zatím není v tomto směru jak validovat.“
Model může pomoci při prototypování v průmyslu
A právě zkušenosti z výzkumů na Akademii věd ČR byly v tomto projektu nesmírně důležité, zejména v jeho první části. Primární parametry totiž týmu pomohl dodat doc. Libor Mrňa z Ústavu přístrojové techniky AV ČR. „Oni jsou v tomto ohledu již o kus dál, navařují jiné materiály a mají hlavně vybavení, díky němuž mohou parametry snáze optimalizovat. My jsme tedy vzali dodané údaje a výzkum jsme obohatili o práci například s ochrannými plyny, jako je čistý argon či směsi CO2 s dusíkem, což má mimochodem u korozivzdorných ocelí dost podstatný vliv na výsledné mechanické vlastnosti výtisku.“Tato počáteční etapa, která trvala zhruba rok a vedl ji dr. Marian Sigmund z Odboru technologie svařování a povrchových úprav ÚST VUT v Brně, se tak podle Jana Řiháčka nesla trochu v duchu pokusů a omylů, tedy neustálého testování a experimentálního odlaďování parametrů 3D tisku.
Příklad výstupu tahové zkoušky s podporou DIC analýzy – rozložení hlavního přetvoření
Tým měl k dispozici základní výpočty, jako je například vnesené teplo, teploty mezi vrstvami nebo teorie tečení materiálu. Ty se ale pro každý svařovací proces (obzvláště 3D tisk), použitý materiál, ochranný plyn a jiné charakteristiky značně liší. „Parametry jsme tak mnohdy museli odladit více méně ručně a poté se vše ověřovalo experimentálně, bez použití simulačních nástrojů.“ Druhá fáze, trvající také přibližně rok, byla zaměřena na kvazistatické zkoušky mechanických vlastností a anizotropie s podporou DIC analýzy v systému Aramis, tedy optického snímání vzorku zpřesňujícího materiálové zkoušky. 
„Tuto část jsem vedl a v praxi to vypadalo tak, že jsme s mými kolegy tiskli velké množství vzorků a vyhodnocovali výsledky zkoušek. A poslední rok byl věnován dynamickým tahovým a tlakovým zkouškám u prof. Milana Forejta, který působí ve stejném odboru jako já.“ Po třech letech spolupráce, do níž se již zapojila i řada doktorandů, zejména Ing. Martin Harant a Ing. Josef Izák, se týmu podařilo za pomoci sady rovnic a matematických modelů popsat, co se stane, když se určitým způsobem změní parametry tisku z nízkouhlíkaté či korozivzdorné oceli. Simulačnímu softwaru nyní už stačí jen „říci“, jaká je například teplota či rychlost zatěžování, a systém si automaticky dopočítá patřičnou charakteristiku. „Pokud s 3D tiskem z těchto materiálů budeme pokračovat na úrovni praktických zkoušek, případně pokud budeme chtít v průmyslu tisknout například zkušební prototypy, nebudeme už věštit z křišťálové koule, jaké vlastnosti prototyp má. Už budeme vědět, že má při konkrétních parametrech tisku například konkrétní mez pevnosti a podobně,“ vysvětluje dále praktický přínos projektu Jan Řiháček a dodává, že tyto matematické modely mohou jednoznačně pomoci průmyslu při vývoji nových dílů.
I když už je tento interní projekt u konce, v Ústavu strojírenské technologie se již čile pracuje na přípravě dalšího výzkumu z oblasti 3D tisku hliníkových a vysokopevnostních ocelí. „Díky tomu, že máme již dobře připravené pracoviště a také mnoho zkušeností, můžeme se zaměřit nejen na další kovové i nekovové materiály, ale rádi bychom se věnovali také voštinovým strukturám. Můžeme si doslova hrát s tím, jaký bude mít struktura tvar, a řešit, ve kterých směrech je ten daný tvar pevnostně zajímavý,“ říká na závěr Jan Řiháček s tím, že výsledky budoucího výzkumu by tým rád publikoval v odborném tisku.