Części zamienne do sportowej łodzi, które powstają w zaledwie kilkanaście godzin? Dzięki badaniom prowadzonym przez zespół dr Iriny Smoliny z Wydziału Mechanicznego takie rozwiązanie wkrótce będzie możliwe. Naukowcy zamierzają rozwinąć technologię przetwarzania stopów aluminium (serii 5xxx) wykorzystywanych w druku 3D.

Badania są możliwe dzięki grantowi, jaki dr inż. Iryna Smolina zyskała w ramach XII edycji programu „Lider” Narodowego Centrum Badań i Rozwoju. Naukowczyni pracuje w Katedrze Technologii Laserowych, Automatyzacji i Organizacji Produkcji na Wydziale Mechanicznym PWr. Jest materiałoznawczynią, a w ramach doktoratu zajęła się przetwarzaniem stopów kobaltu z dodatkiem renu w technologii przyrostowej (czyli popularnego druku 3D).

– Aktualne badania również są powiązane z opracowaniem nowych materiałów. Tym razem jednak wspólnie z zespołem zajmę się funkcjonalnymi stopami aluminium z serii 5xxx, które chcemy wykorzystywać do wytwarzania przyrostowego metodą laserowej mikrometalurgii proszków (LPBF) – opowiada dr Smolina.

Sformułowanie „seria 5xxx” oznacza, że stopy te zawierają magnez. Naukowcy skupiają się na nich z kilku powodów. Przede wszystkim mają one duży potencjał do zastosowania w branży motoryzacyjnej i morskiej, ze względu na swoje własności, m.in. wysoką odporność na korozje. Do tej pory nie prowadzono zbyt wielu badań związanych z ich przetwarzaniem w technologii LPBF, a te które zrealizowano, dotyczyły innej technologii przyrostowej. W metodzie DED (Directed Energy Deposition, czyli w j. polskim – bezpośrednie osadzanie materiału wiązką energetyczną) materiał podawany w postaci proszku lub drutu jest osadzany na powierzchni jakiegoś przedmiotu.

– My natomiast chcemy „drukować” funkcjonalne elementy lub części zamienne, takie jak choćby wirnik do małej łodzi sportowej, czyli część, która często ulega uszkodzeniom i możliwość jej wyprodukowania w ciągu kilkunastu godzin będzie znacznym ułatwieniem – tłumaczy dr Smolina. – Naszym celem jest więc wytworzenie wolnych od wad, wysokiej jakości części dla przemysłu morskiego, zwłaszcza stoczniowego i w produkcji jachtów motorowych, ale także dla przemysłu motoryzacyjnego np. dla motosportu, supersamochodów lub samochodów koncepcyjnych, prototypowych i produkowanych jednostkowo samochodów użytkowych.

Badaczka podkreśla, że technologia przyrostowa – laserowa mikrometalurgia proszków (czyli z angielskiego LPBF, od Laser Powder Bed Fusion) jest bardzo perspektywiczna dla przemysłu.

– Pozwala na wytwarzanie części o skomplikowanej geometrii, optymalizowanie ich, uzyskiwanie nowych kształtów, a nawet zmniejszanie wagi poprzez np. zastosowanie w środku konstrukcji ażurowych, co obniża masę końcową produktu – opowiada.
By było to możliwe, konieczne są jednak prace badawcze, które odpowiedzą na pytania, jakie parametry procesu przyrostowego zastosować i jak zmienić skład rożnych materiałów wykorzystywanych w tradycyjnych technologiach produkcyjnych, by stały się surowcem w drukarkach 3D. Konieczne są więc miesiące badań. I tym zajmie się zespół dr Smoliny.

W przypadku stopu aluminium z serii 5xxx naukowcy planują m.in. zastosować kompensację składu chemicznego, podwyższając zawartość magnezu względem standardowego stopu, dzięki czemu po przetworzeniu stop nadal będzie spełniał wymagania określone dla tej serii. Jest to konieczne, bo magnez to pierwiastek niskotopowy, czyli ma niską temperaturę topnienia, a co z tego wynika: odparowuje w trakcie druku 3D.

Zespół zamierza też domieszkować stop tzw. nano-dodatkami – m.in. tytanem, borem, cyrkonem czy skandem. Ma to m.in. zapobiegać pęknięciom na gorąco, które mogą powstawać w czasie procesu druku 3D, a także wpływać na właściwości stopu.
W zredukowaniu lub usunięciu pęknięć na gorąco może także pomóc modyfikacja procesu technologicznego, m.in. zmiana sposobu podgrzewania platformy roboczej drukarki – co także planują sprawdzić badacze.

Ostatecznie zespół opracuje bazę wiedzy ze wszystkimi informacjami na temat czynników wpływających na jakość procesu przetwarzania stopu. A następnie wybierze jeden stop o optymalnych właściwościach, czyli taki, który spełni następujące kryteria: posiada jednolitą strukturę (bez pęknięć), własności wytrzymałościowe równe lub przewyższające własności stopów aluminium serii 5xxx przetwarzanych tradycyjnymi metodami (nie w druku 3D) i do tego będzie miał możliwie niskie koszty wytwórcze.

Po m.in. próbach rozciągania i testach określających właściwości zmęczeniowe naukowcy wytworzą demonstratory swojej technologii. Myślą także o powołaniu do życia spółki typu spin-off, której zadaniem będzie komercjalizacja wyników projektu.

Prace prowadzi sześcioosobowy zespół, który tworzą dr inż. Iryna Smolina, dr inż. Konrad Gruber, mgr inż. Wojciech Stopyra, mgr inż. Karol Kobiela, mgr inż. Emilia Grochowska oraz mgr inż. Michał Karoluk – wszyscy są z Wydziału Mechanicznego. Oficjalna nazwa projektu to „Stopy nowej generacji na osnowie aluminium przetwarzane w procesie laserowej technologii przyrostowej do zastosowań przemysłowych” (akronim: AddAluMat).

Lucyna Róg