Napjaink egyik legtrendibb, legtöbbet emlegetett technológiája a 3D nyomtatás (3DP). Gyorsan fejlődik, az alkalmazások száma napról napra nő, több ipari szektor már elképzelhetetlen nélküle. Az autó- és a légjármű-gyártástól, vagy az oktatástól a művészeteken keresztül az egészségügyig, szinte mindenhol, az élet számos szegmensében jelen van.
A nyomtatásra kerülő anyagok köre is bővül. Printelnek már homokkal (főként homokkővel), fával, vízzel is. Egyre több egzotikus, nagyon különleges matériára is sor kerül, olyanokra, amelyekről nem gondoltuk korábban, hogy 3D printer állít elő belőlük valamit. Ezek egyike a fontos alapanyaggá vált volfrám.
A technológia dióhéjban
3D nyomtatáson azt értjük, hogy digitális modell alapján speciális géppel (3D printerrel) háromdimenziós nyomatot készítünk. A modell létrehozásával kezdjük, ezt számítógéppel támogatott tervező (CAD) vagy modellező szoftverrel, esetleg 3D szkennert is bevonva a munkafolyamatba, érjük el.
A nyomtatásra kerülő fájlt szeletelő program állítja elő, azaz szeleteli rétegekre. Utána következik a gép, méret stb. függvényében percekig, órákig vagy napokig tartó printelés. A printelést követő készremunkálás során a nyomatról leválasztjuk a segédanyagokat, fényezzük, és ha kell, festjük.
A technológia a gyártóiparban domináns, hagyományos szubtraktív eljárás ellentéte. Míg az utóbbiban az anyagtömbből leválasztják a felesleges részeket, és sok anyagveszteséggel előállítják a tárgyat/terméket, addig az additív módszerrel rétegek lerakásával, rétegről rétegre építkezve, törvényszerűen minimális (vagy annál is kevesebb) pazarlással jön létre az adott objektum. A kevesebb hulladék miatt a technológia környezetbarátabb, és ma már olcsóbbnak is számít. Egyelőre ritkán használják tömegtermelésre, de változik a helyzet, és csak idő kérdése. Egyedire kidolgozott, személyre szabható, összetett geometriájú tárgyak létrehozásához viszont nincs jobb technológia nála.
Volfrámatomok világa
Szaporodnak a több anyagot, illetve több színben nyomtató gépek, és míg a múlt évtized első felét fogyasztói termékeket előállító, inkább „otthoni” és desktop rendszerek uralták, addig mára a méretesebb ipari 3D nyomtatók jelentik a technológia élcsapatát. A nyomtatóanyagok alapján két főbb csoportjuk különböztethető meg: polimer-, illetve fémprinterek.
A technológia rövid történetének nagy váltását az jelentette, amikor 2015 körül a fogyasztói alkalmazásokról az ipari tevékenységekre került a hangsúly. A 3DP ma elsősorban ipar és szolgáltatás, eddig nem vált be az a bő tíz éve népszerű jövőkép, hogy a személyi számítógépekhez hasonlóan, minden háztartásban lesz 3D printer is. Helyette főként szolgáltatásként használjuk.
Mi és mire jó a volfrám?
A volfrám fémes elem, átmenetifém. Angolul tungsteen, az elnevezés az egyik legnehezebb fémre utaló svéd „nehéz kőből” származik, a magyarban a német wolfram változat honosodott meg. Tűzálló, fehéren fénylő anyag, feldolgozását nehezíti, hogy már enyhe szennyeződésre törékennyé válhat. Az összes fém közül a legmagasabb olvadásponttal (3410 Celsius-fok) rendelkezik, ez és az 5700 Celsius-fokos forráspontja miatt ideális az izzókban való használatra.
Tiszta formájában vagy nagyon puha, vagy nagyon törékeny, ezért lényegében mindig más elemekkel együtt használják. Ezek az ötvözetek keménységükről ismertek. Leggyakoribb a volfrám-karbid, a volfrám és a szén keveréke, remek kerámiakompozitok hozhatók létre belőle. Acéllal, kobalttal, rézzel, bronzzal, krómmal, vassal és nikkellel szintén szokták ötvözni, de a Hastelloy nikkel-molibdén-króm szuperötvözetnek is az egyik összetevője. Ezek az ötvözések mindig merev anyagokat eredményeznek.
Volfrám
Tulajdonságai, például a hőtűrése miatt főképp a repülőgép-iparban és a védelmi szektorban használják, gyakran megtalálható rakétahajtóművek fúvókáiban, légi ipari turbinalapátokban, fegyverfejekben. A medicinában MRI-vizsgálatokhoz, sugárvédelemhez alkalmazzák. A vegyiparban, az autóiparban és még szabadidős célokra is hasznosítják.
Biokompatibilis, elnyeli a röntgen- és gammasugarakat, ellenáll a legtöbb savnak. Korrózióval, erózióval és hővezetéssel szembeni ellenállása miatt volfrámötvözeteket az alumínium gravitációs présöntéséhez használatosak.
Volfrám a 3D nyomtatásban
Az utóbbi évek intenzív kutatásai a volfrámban rejlő nyomtatási lehetőségek maximalizálására összpontosítottak. Az additív gyártásban használt volfrámalkalmazások folyamatos fejlődésével 2020 körül jött az áttörés. Ekkor sikerült hatékonyan orvosolni az anyaggal régóta felmerülő problémát: gyártásnál túl merevnek, ridegnek bizonyult, törékenységét mikrorepedések jelezték.
Ilyen nyomat készül volfrámból
2021-ben új módszert dolgoztak ki volfrám-nikkel-vas ötvözetek előállítására, és ezzel tovább bővültek a lehetőségek. Az anyag a fúziós energia területén szintén ígéretes, mert jól tűri a reaktorok szélsőséges hőmérsékletét, körülményeit, így pedig szignifikáns mértékben hozzájárulhat a jövőbeli energiaszükségletek kielégítéséhez.
Jelenleg két nyomtatótechnológiával hasznosítják.
A szelektív lézeres olvasztás az egyik. Infravörös lézerrel olvasztják meg a port, és kapcsolják össze a rétegeket. Az anyag magas olvadáspontja miatt nehéz volt kivitelezni, viszont a tiszta volfrámpor nikkel-vas vagy nikkel-réz kombinációval történő keverésével elhárultak az akadályok. A nehézfém így az alumíniumöntvényekben használt, káros ólom alternatívájává is vált.
A kötőanyag-sugaras (binder jetting) megoldás a másik. Az ExOne vállalat anyaggyártókkal közösen fejlesztett réz-volfrám kompozitja jól használható lézersugaras printerekkel. A folyamat előnye, hogy a fém előmelegíthető, elkerülve a deformációt és az esetleges repedéseket.
Képek: Wikipedia, Wolfram Industrie
