Wytwarzanie przyrostowe / druk 3D – produkcja addytywna elementów metalowych w atmosferze gazu obojętnego
Produkcja addytywna (AM, Additive Manufacturing), znana również jako druk 3D, staje się coraz ważniejsza w produkcji elementów metalowych. Ma ona również potencjał, by stać się ważnym filarem kolejnej rewolucji przemysłowej.
- Produkcja addytywna w obróbce metali
- Jakie procesy są stosowane w produkcji elementów metalowych?
- Selektywne topienie laserowe
- Topienie wiązką elektronów
- Napawanie laserowe
- Druk 3D – różne gazy technologiczne dla różnych materiałów
- Dostosowane zasilanie gazem dla wytwarzania przyrostowego
- Elastyczne sposoby dostaw atmosfer gazu obojętnego
- Obróbka cieplna komponentów wytwarzanych przyrostowo
- Czyszczenie suchym lodem lub śniegiem CO2
Budując komponent warstwa po warstwie za pomocą proszku, procesy wytwarzania przyrostowego mogą być wykorzystywane do tworzenia niemal każdej geometrii, jaką można sobie wyobrazić. Umożliwia to również tworzenie geometrii komponentów, których nie można wyprodukować przy użyciu konwencjonalnych procesów produkcyjnych, takich jak odlewanie, formowanie lub obróbka skrawaniem. Druk 3D jest coraz częściej wykorzystywany w produkcji lekkich konstrukcji, prototypów lub komponentów o wysokim stopniu personalizacji.
Gazy obojętne odgrywają kluczową rolę w całym łańcuchu procesu wytwarzania przyrostowego – od procesu produkcji proszku, w którym ciekły metal jest rozpylany przy użyciu gazu obojętnego (zwykle argonu lub azotu), poprzez zapewnienie stałej jakości proszku przy użyciu gazów obojętnych podczas przechowywania i transportu cząstek proszku, aż po zapewnienie odpowiedniej atmosfery gazu obojętnego.
Produkcja addytywna w obróbce metali
Produkcja addytywna z metali działa w podobny sposób jak produkcja addytywna z tworzyw sztucznych, przy czym różne proszki metali są wykorzystywane do formowania elementów metalowych, zamiast często używanych tworzyw sztucznych. Stosowane proszki metali są wykonane z różnych materiałów i mogą być wybrane w odpowiednim stopie, aby pasowały do pożądanego przedmiotu obrabianego i obszaru zastosowania. Oznacza to, że produkcję przyrostową można łatwo przenieść do innych branż, ponieważ metalowe elementy mogą wytrzymać znacznie większe naprężenia.
Jakie procesy są stosowane w produkcji elementów metalowych?
Druk 3D jest wykorzystywany w różnych procesach produkcyjnych. Produkcja addytywna z metalu wykorzystuje trzy różne procesy. Są to następujące procesy produkcyjne:
- selektywne topienie laserowe (SLM),
- napawanie laserowe,
- selektywne spiekanie laserowe (SLS).
Selektywne topienie laserowe
Selektywne topienie wiązką laserową (SLBM, Selective Laser Beam Melting lub SLM, Selective Laser Melting) jest jednym z najbardziej znanych procesów druku 3D do produkcji elementów metalowych. Poprzez lokalne topienie i zestalanie proszku metalowego, komponenty mogą być wytwarzane ze stali nierdzewnej, tytanu, aluminium, kobaltu i chromu oraz stopów na bazie niklu.
W pierwszym etapie, warstwa proszku metalowego jest nakładana w przestrzeni instalacyjnej. Następnie wiązka lasera dostarcza energię do stopienia materiału. Wiązka laserowa działa tylko na obszary proszku, w których element ma zostać utworzony w odpowiedniej warstwie zgodnie z modelem 3D. Następnie platforma robocza jest obniżana o jedną grubość warstwy i nakładana jest kolejna warstwa proszku. W ten sposób komponent jest tworzony warstwa po warstwie.
Proces odbywa się w atmosferze obojętnego gazu ochronnego w celu zminimalizowania zawartości tlenu i wilgoci oraz zapewnienia bezpieczeństwa.
Powszechnie stosowane gazy – argon lub azot (w niektórych przypadkach także hel) – chronią materiały, wypierając powietrze i zapobiegając w ten sposób utlenianiu komponentów.
Ponadto stopione cząstki i dym są skutecznie usuwane przez przepływ gazu. Chroni to wnętrze elementu przed gromadzeniem się zanieczyszczeń.
Selektywne topienie laserowe ma wiele zmodyfikowanych wariantów procesu, które są sklasyfikowane pod różnymi nazwami:
- bezpośrednie spiekanie laserowe metali (DMLS, Direct Metal Laser Sintering),
- laserowe stapianie,
- laserowe łączenie metali (LMF, Laser Metal Fusion),
- bezpośrednie drukowanie metalu (DMP, Direct Metal Printing),
- spiekanie laserowe.
Topienie wiązką elektronów
Topienie wiązką elektronów osiąga wysokie szybkości narastania i jest często stosowane w przemyśle medycznym i lotniczym. Proces ten wykorzystuje wiązkę elektronów jako źródło energii i odbywa się w podwyższonych temperaturach w próżni. Zastosowanie niewielkich ilości helu podczas procesu budowy zapobiega statycznemu naładowaniu proszku. Po zakończeniu procesu budowy, komponenty i proszek schładzają się szybciej w atmosferze gazu obojętnego zawierającego hel.
Napawanie laserowe
Innym wariantem wytwarzania addytywnego jest napawanie laserowe. W tym procesie produkcyjnym materiał, który może mieć postać proszku lub drutu, jest nakładany bezpośrednio na powierzchnię poprzez topienie. Metalowy proszek lub drut jest wprowadzany bezpośrednio w efektywny zakres lasera za pomocą dyszy, która jest przepłukiwana gazem obojętnym.
Druk 3D – różne gazy technologiczne dla różnych materiałów
Wybór odpowiedniej atmosfery gazu osłonowego zależy od zastosowanego materiału, wymagań jakościowych i procesu produkcyjnego. Na przykład argon jest używany wyłącznie do stopów tytanu. Azot może być również stosowany do innych materiałów.
Badania naukowe wykazały, że zarówno gaz używany do rozpylania proszku, jak i gaz technologiczny w produkcji addytywnej mogą mieć wpływ na mikrostrukturę. Wybór gazu technologicznego odpowiedniego dla danego zastosowania zależy w dużej mierze od parametrów procesu i wymagań jakościowych.
W przypadku przerwy w dostawie gazu podczas procesu konstrukcyjnego, w komponentach zwykle pojawiają się wady, a prace procesowe muszą zostać wznowione. Niezawodne i nieprzerwane dostawy gazu są zatem szczególnie ważne dla produkcji komponentów.
Dostosowane zasilanie gazem dla wytwarzania przyrostowego
Eksperci Air Liquide zapewnią kompleksowe doradztwo w zakresie optymalizacji dostaw gazu. Air Liquide oferuje profesjonalny projekt i montaż instalacji gazowych. Dzięki zastosowaniu odpowiednich materiałów i połączeniu elementów rurociągu zgodnie z przepisami, Air Liquide zapewnia wolne od cząstek stałych i gazoszczelne zasilanie aż do punktu poboru.
Ponieważ systemy topienia wiązką laserową działają w pomieszczeniach zamkniętych, ocena bezpieczeństwa jest również wymagana jako część oceny ryzyka. Zespół ekspertów Air Liquide zapewni kompleksowe doradztwo i wsparcie w zakresie analizy ryzyka i opracowania niezbędnych środków. W razie potrzeby Air Liquide oferuje również instalację systemu monitorowania powietrza w pomieszczeniu.
Dzięki szafie magazynowej ECO DRY CABINET można bezpiecznie przechowywać proszek w kontrolowanej atmosferze gazowej, chroniąc go przed wpływami środowiska.
Elastyczne sposoby dostaw atmosfer gazu obojętnego
W przypadku zasilania wiązką argonu lub azotu można zaoszczędzić koszty i czas, stosując wiązki 300 bar. Wiązki 200 bar mogą być nadal używane, ale 40% więcej zawartości w wiązkach 300 bar w porównaniu z konwencjonalnymi wiązkami 200 bar zmniejsza liczbę zmian wiązek do minimum.
W przypadku większego zapotrzebowania opcjonalne jest zasilanie ze zbiorników kriogenicznych ze skroplonym azotem lub argonem. Korzyścią jest większe bezpieczeństwo dostaw dzięki zdalnemu monitorowaniu poziomu napełnienia i automatycznej dostawie cysternami Air Liquide. Często możliwe jest zainstalowanie zbiornika na prefabrykowanej płycie betonowej. Pozwala to zaoszczędzić koszty, ponieważ nie ma potrzeby kładzenia fundamentów, jeśli podłoże jest wystarczająco twarde. Rozwiązanie to zapewnia również większą elastyczność.
Oprócz zewnętrznego zasilania azotem, istnieje również możliwość wytwarzania gazu bezpośrednio na miejscu za pomocą generatora on-site azotu. Air Liquide oferuje generatory on-site najnowszej generacji, a bardzo kompaktowa konstrukcja pozwala zaoszczędzić miejsce.
Obróbka cieplna komponentów wytwarzanych przyrostowo
Każdy komponent wytwarzany addytywnie wymaga późniejszej obróbki cieplnej ze względu na proces produkcyjny.
Optymalne właściwości mechaniczno-technologiczne materiału można osiągnąć tylko poprzez proces obróbki cieplnej, który jest dostosowany do komponentu i wymagań.
W szczególności komponenty charakteryzują się wysokimi naprężeniami wewnętrznymi ze względu na bardzo szybkie chłodzenie stopionego metalu. Ukierunkowana obróbka cieplna, taka jak wyżarzanie odprężające, może zmniejszyć naprężenia wewnętrzne i zmienić mikrostrukturę w taki sposób, aby uzyskać lepsze właściwości mechaniczne.
W krytycznych zastosowaniach o wysokich wymaganiach dotyczących właściwości mechanicznych, mikroporowatość komponentów wytwarzanych addytywnie musi zostać wyeliminowana. Można to osiągnąć poprzez prasowanie izostatyczne na gorąco (HIP). HIP jest formą obróbki cieplnej, która łączy wysokie ciśnienie z wysokimi temperaturami w celu poprawy właściwości materiału.
Czyszczenie suchym lodem lub śniegiem CO₂
Powierzchnie komponentów drukowanych 3D mogą być poddawane zaawansowanemu czyszczeniu, jeśli wymagane są wysokie standardy jakości. Procesy czyszczenia oparte na dwutlenku węgla są idealne do usuwania pozostałości proszku i innych cząstek z komponentów. Czyszczenie suchym lodem lub śniegiem CO2 jest przyjazne dla środowiska, opłacalne i zapewnia optymalne wyniki czyszczenia.
Stosowanie gazów technicznych jest niezbędne w produkcji addytywnej. Wybór komponentów gazowych pod względem rodzaju i ilości zależy od wielu czynników. Zespół ekspertów Air Liquide będzie współpracował z Państwem w celu znalezienia technologicznie i ekonomicznie najlepszej mieszaniny gazów do danego zadania i wspólnie wdrożymy najlepsze rozwiązanie.
