Drukowanie 3D metalem – kiedy się opłaca?

Materiałami, które najczęściej kojarzą się nam z drukiem 3D, są tworzywa termoplastyczne. Okazuje się jednak, że za pomocą technologii druku 3D możemy drukować nawet z metalu!

Druk 3D z proszku metalowego

W tym artykule opisano aspekty ekonomiczne dotyczące kosztów związanych z procesem wytwarzania fizycznych obiektów trójwymiarowych wykonanych z metalu.

Druk 3D z metalu – proces technologiczny i składowe jego kosztu

Proces druku 3D polega na wytwarzaniu trójwymiarowych obiektów fizycznych odwzorowanych zgodnie z geometrią modelu w postaci pliku utworzonego w programie komputerowym do tworzenia obiektów 3D. Dokładność wytwarzania jest ograniczona osiągami sprzętowymi drukarki 3D. Najczęściej wykorzystywana jest metoda przyrostowa (Additive Manufacturing), która polega na drukowaniu warstwa po warstwie. W odróżnieniu od klasycznej obróbki maszynowej (np. CNC) technologia ta nie marnuje surowców niezbędnych do wytwarzania. Oprócz druku z takich materiałów jak PLA, HIPS czy ABS metoda ta jest także stosowana do drukowania obiektów metalowych. Wdrożenie druku 3D w produkcji części i podzespołów z metalu miało na celu polepszenie całego procesu wytwarzania, zarówno pod kątem zwiększenia jego oszczędności, jak i efektywności. Głównymi składowymi wpływającymi na koszt wyprodukowania obiektów metalowych metodą druku 3D jest koszt związany z uzyskaniem zwrotu z tytułu ceny drukarki 3D (ok. 40%) oraz koszt proszku metalowego, czyli filamentu (ok. 25%). Resztę kosztów stanowi robocizna, przygotowanie do druku oraz obróbka wykończeniowa.

Proszek metalowy i jego obróbka termiczna

Filament używany w procesie druku 3D z metalu metodą wytwarzania przyrostowego ma najczęściej postać proszku. W porównaniu do cen filamentów wykonanych z tworzyw termoplastycznych filament metalowy jest nawet do kilkunastu razy droższy – koszt jednego kilograma może rozpoczynać się w okolicach 400 zł. Na koszty produkcji również wpływa metoda wytwarzania. Jedną z najpopularniejszych technologii atomizacja gazowa. W tym procesie filament jest podgrzewany do temperatury przekraczającej jego temperaturę topnienia. Ciekły metal jest rozpylany za pomocą powietrza o odpowiednio regulowanym przepływie, a następnie wprowadzany do dyszy wylotowej. Gorące kropelki szybko zastygają w formie proszkowej. Metoda ta jest bardzo zaawansowana technologicznie i wymaga stosowania wysokich temperatur. Aby efekt był trwały, niezbędne jest restrykcyjne kontrolowanie jakości użytego materiału oraz jednorodnej wielkości cząstek metalowego proszku. Z tych powodów druk 3D z metalu jest dużo droższy w porównaniu do druku z tworzyw termoplastycznych. Jednak jego koszty w najbliższych latach zostaną znacznie zmniejszone dzięki proszkom wykonanym z różnych stopów metali oraz upowszechnieniu użytkowania takiej metody wytwarzania elementów metalowych, wskutek czego obróbka CNC może zacząć tracić na znaczeniu.

Ile kosztują drukarki 3D do metalu?

Oprócz samego materiału na koszt druku 3D z metalu duży wpływ ma także cena maszyn i osprzętu niezbędnego do realizacji tego procesu. Zakup systemu druku 3D z metalu metodą wytwarzania przyrostowego do profesjonalnych zastosowań komercyjnych może kosztować nawet ok. 1 mln USD. Natomiast obecny na rynku od roku 2015 start-up Desktop Metal wprowadził do sprzedaży w 2017 roku drukarkę do użytku biurowego wykorzystującą technologię BMD, której cena wynosi 120 tys. USD, a rok później drukarkę przeznaczoną do seryjnego wytwarzania detali metalowych za 360 tys. USD. Podobnie jak w przypadku filamentu metalowego, wraz z rozwojem i popularyzacją technologii druku 3D ze stopów metali spadnie również cena maszyn przeznaczonych do tego procesu.

Czy drukowanie 3D metalem jest opłacalne?

Wykorzystanie druku 3D jako technologii wytwarzania elementów metalowych na skalę przemysłową może być bardzo dobrym środkiem zaradczym w problemach związanych z efektywnością i kosztami produkcji. Można uznać, że druk 3D z metalu jest bardzo dobrym rozwinięciem obróbki CNC. Sam proces oferuje szerokie możliwości, zwłaszcza w przypadku wytwarzania elementów o niestandardowych kształtach. Choć z uwagi na wysoką cenę maszyn do druku 3D z metalu takie rozwiązanie może być jeszcze nieopłacalne dla wielu firm. Natomiast dobrym znakiem jest ciągłe rozwijanie tej technologii, dzięki czemu stanie się ona z czasem popularniejsza i tańsza, znajdując nowych użytkowników – w pierwszej kolejności wielkich producentów z branży mechanicznej i elektronicznej. Jednostkowy koszt produkcji obiektów 3D z metalu w przypadku zakupu masowego powinien być tym mniejszy, im większa jest zamówiona liczba sztuk.