Znak Politechniki Warszawskiej

Spawalnicze Koło Naukowe JOINT, czyli jak ze spawarki zrobić drukarkę 3D

Mateusz Ostrysz, Prezes Spawalniczego Koła Naukowego JOINT przy spawarce, fot. BPI

Druk 3D już nikogo nie dziwi: na Politechnice Warszawskiej także jest to często wykorzystywana technologia. Spawalnicze Koło Naukowe JOINT proponuje ciekawe rozwiązanie – drukowanie metalowych elementów w zupełnie inny, niż do tej pory stosowany, sposób. Ich spawarka stała się drukarką. Jak?

Zapraszamy do przeczytania najnowszego artykułu z cyklu Badania - Innowacje - Technologie.

Nie jest to wcale niemożliwe. Studenci ze Spawalniczego Koła Naukowego JOINT, działającego na Wydziale Inżynierii Produkcji Politechniki Warszawskiej pod opieką dra Pawła Cegielskiego, postanowili drukować metalowe elementy poprzez napawanie łukowe. Polega to na nakładaniu na powierzchnie metalowe stopionego drutu wysuwającego się z uchwytu elektrodowego spawarki. Napawanie najczęściej wykorzystuje się do regeneracji zużytych części maszyn. Nikt wcześniej na poważnie nie wykorzystywał spawarki do drukowania całych przedmiotów.

– W latach 90. próbowano budować takie modele, ale były one bardzo masywne, grubościenne, ważące nieraz kilkanaście kilogramów – tłumaczy prezes Spawalniczego Koła Naukowego JOINT, Mateusz Ostrysz. – Teraz urządzenia pozwalają na budowanie cienkościennych elementów. Wykonaliśmy tysiące prób, testowaliśmy różne parametry i w końcu osiągnęliśmy satysfakcjonujące wyniki.

Element wydrukowany przez Koło (po prawej) oraz ten sam element po oszlifowaniu (po lewej), fot. BPI

Jak to działa?

Elektrodą jest drut metalowy, który wysuwa się z palnika. W wyniku jarzenia się łuku elektrycznego pomiędzy elektrodą a materiałem tworzy się jeziorko ciekłego metalu, które bardzo szybko zastyga. Każda kolejna warstwa nadtapia poprzednią. Następne warstwy metalu nakładane są na siebie tak długo, aż zostanie stworzony docelowy model. Jednocześnie kolejne warstwy nadtapiają poprzednie i to właśnie jest kluczem do zapewnienia wysokich właściwości użytkowych i jednorodnej struktury. – Sprawdzaliśmy je pod mikroskopem – mówi Mateusz Ostrysz. – Struktura jest drobnoziarnista, czyli charakterystyczna dla stali, której kawałek zamówilibyśmy w hucie. Metal wygląda tak, jakby nigdy nie był poddawany procesom spawalniczym. Dzięki temu materiał jest też dobrej jakości, co udowodniliśmy podczas prób wytrzymałościowych.

Nie ma znaczenia to, jaki kształt ma zostać wydrukowany. Trzeba odpowiednio zaprogramować maszynę, a ta w zasadzie samodzielnie wykona swoją pracę.

Napawanie a inne metody

Żadna ze znanych metod otrzymywania metalowych elementów nie jest wolna od wad.

Najczęściej metalowe części otrzymuje się za pomocą konwencjonalnych metod odlewniczych lub ubytkowych. W procesie ubytkowym powstaje bardzo dużo odpadu, a odlewnictwo jest energochłonne. Poza tym koszt wykonania odlewu zależy od liczby zamówionych elementów.

Obecnie metalowe elementy tworzone są także przez spiekanie lub stapianie proszków metali. Możliwe jest to tylko z wykorzystaniem drukarek laserowych. – Chcieliśmy stanąć w opozycji do metod laserowych druku elementów metalowych – tłumaczy Mateusz Ostrysz. – Są techniki druku 3D, które oferują niezwykle wysokie właściwości mechaniczne, użytkowe, świetnie wyglądają, tylko są bardzo kosztowne.

Laserowa drukarka 3D kosztuje kilka milionów euro, zaś całe stanowisko pozwalające drukować poprzez napawanie, które wykorzystują studenci z Koła – kilkaset tysięcy złotych. Ponadto, laser zużywa energię na poziomie kilkunastu kilowatów, spawarka – kilkuset wat. To mniej niż lodówka. Oczywiście drukarka laserowa świetnie radzi sobie z bardzo skomplikowanymi, drobnymi i precyzyjnymi strukturami, ale nie do wszystkiego potrzebna jest aż tak skomplikowana technologia. Cena materiału do drukarek laserowych także podnosi koszty produkcji – proszki wykorzystywane w technikach laserowych są kilka razy droższe od drutu.

Ciekawą metodą druku z metalu jest także spiekanie za pomocą wiązki elektronów. Tu dużym problemem jest fakt, że proces zachodzi w komorze próżniowej – stworzenie próżni jest bardzo czasochłonne. Próżnia pozwala jednak na stapianie proszków metali, które łatwo wchodzą w reakcję z tlenem i wymagają specjalnej komory. Usunięcie z procesu tlenu zapobiega niekorzystnym zmianom właściwości metalu na skutek jego utleniania i innych niekorzystnych procesów.

Na razie studenci drukują elementy z najpopularniejszych stali, później przyjdzie czas na magnez, nikiel, tytan czy aluminium, fot. BPI

To dopiero początek

Na razie studenci ze Spawalniczego Koła Naukowego JOINT drukują ze stali niskostopowych i nierdzewnych, tych najczęściej wykorzystywanych w przemyśle. W przyszłości chcą wykorzystać także magnez, nikiel, tytan czy aluminium. Ich pomysł na drukowanie metalu przez napawanie został doceniony w tegorocznym konkursie KOKON – skierowanym  do studentów uczelni technicznych działających w kołach naukowych. Projekt „Drukowanie 3D poprzez zrobotyzowane napawanie” wygrał w kategorii „Innowacja i nowe technologie”.

 

Zobacz także pozostałe artykuły z cyklu BIT PW>>>
 

Monika Bukowska

Biuro ds. Promocji i Informacji