Поставка промышленного оборудования для автоматической сварки, ручной дуговой сварки и плазменной резки
Телефон:
+7 (495) 743-43-27

Аддитивные технологии от компании SBI

1.  Аддитивные технологии, краткий обзор

Аддитивные технологии (AM)  - это технологии, с помощью которых изделие получается методом послойного наращивания материала (прибавления, добавления, от глагола add - добавлять). Установки, в которых применяются данные технологии, также называют 3D принтеры.

Данные технологии являются наиболее перспективными технологиями настоящего и будущего. Послойное наращивание и синтез объекта происходит с помощью компьютерных 3D технологий и способствует производству множества полезных вещей для быта, здоровья и безопасности человека, например аддитивные технологии в авиастроении помогают создавать более высокоэкономичный и легкий по весу авиатранспорт, при этом его аэродинамические свойства сохраняются в полном объеме. В 2009 году этот процесс ASTM (American Society for Testing and Materials) был класифицирован как AM технология (Таблица 1).

Класификация Способ наращивания Материалы
Material Jetting клеи пластмасса
Binder Jetting клеи искусств. керамика металл, песок
Material Extrusion под давлением пластик; другие материалы с пластиком
Powder Bed Fusion Лазер, Электронно-лучевая сварка (ЭЛС) металлы, керамика
Directed Energy deposition Свар.дуга; Лазер (ЭЛС) металл
Sheet lamination микроволны, клеи металл, бумаги
Vat photo-polymerisation УФ-свет фотография

 Таблица 1: Kласификация AM-процесов

Основными технически возможными способами изготовления металлических изделий являются процессы Powder Bed Fusion (PBF) и Directed Energy Deposition (DED).

В то время как с помощью процесса  PBF можно реализовать изделия небольшие по размеру и сложные по геометрии, то используя  DED процессы наращивания деталей можно выполнить с высокой производительностью и скоростью  достаточно громоздкие по размеру детали.

В качестве материала при DED процессе наращивания можно использовать порошок или проволоку, для расплавления металла используется как световая дуга между электродом и изделием, лазерный луч или электронно-лучевой поток электронов.

Разновидность DED процесса наращивания с подачей проволоки класифицируется как Wire and Arc Additive Manufacturing или сокращённо (WAAM). Это обозначение введено университетом Крэнфилд и описывает, какая проволока и какой источник энергии используется при наращивании изделий с помощью электрической дуги.

В распоряжении AM процессов предлагаются различные способы наращивания изделий. Однако это не означает, что каждое возможное решение является экономичным и эффективным.

Изделия произведённые по  AM технологии наращивания можно в зависимости степени их сложности классифицировать следующим графиком (рис 1).

Большие детали с относительно не сложной конструкцией изготавливаются с помощью  DED процесса наращивания, маленькие и сложные изделия - методом  PBF процесса наращивания

Рисунок 1.  AM-процесс и его область применения

 2. Почему AM?


Сегодняшние требования к конкурентоспособности компании и к экологичности производства с каждым днем становятся все сложнее. Аддитивное производство предоставляет решение, удовлетворяющее обоим этим требованиям. Так называемое правило buy-to-fly-ratio (BTFR) указывает соотношение сырья к готовому компоненту:

  

Где в верхней части дроби – масса заготовки, а в нижней – масса готового изделия.

Некоторые способы изготовления изделий, такие как токарная обработка и фрезерование, имеют значение BTFR 5-50 или даже выше, в зависимости от конструкционной сложности детали, т.е. много материала уходит в стружку (Рисунок 2).

Аддитивные технологи могут значительно снизить это соотношение - в зависимости от степени последующей обработки. Более низкая BTFR не только экономит затраты на сырье, но также снижает затраты и время, необходимые для последующей доработки изделий.

 Рисунок 2 Стружка это основной материал при обычном производстве изделий

Еще одним преимуществом, предлагаемым AM, является быстрое производство необходимых изделий. Особенно в случае дорогих и довольно редко используемых в производстве материалов проблемой являются очень  длительные сроки изготовления, AM решает эти вопросы.

При использовании аддитивной технологии изделие может быть быстро изготовлено на месте и с использованием легко доступных на рынке материалов. 

3. Процесс PWD: Plasma Wire Deposition

PWD-процесс использует для наращивания изделий плазменную дугу с подачей проволоки, и классифицирован как Directed Energy Deposition DED и WAAM. Основой при этом способе является плазмотрон производящий плазменную дугу, которая переносит введённую в неё проволоку на заранее изготовленную подложку изделия. При расплавлении металла на изделии создаётся один проход, при заданном определённом количестве проходов создаётся готовое к обработке изделие.

На Рисунке 3 показана схема PWD процесса с вводом проволоки в плазменную дугу и образование проходов на изделии.

 Рисунок 3. Схема PWD-процесса

Плазменная дуга (PTA) в зависимости от используемого источника тока работает в двух режимах: 

  1. Direct Current Electrode Negative (DCEN): В этом случае от источника тока постоянного напряжения на вольфрамовый электрод плазмотрона подаётся (-) а на изделие (+)
  2. AC режим: Между электродом плазмотрона и изделием меняется полярность +/- с заданной частотой.

Режим на прямой полярности DCEN используется для наращивание различных металлов: сталь, титан, сплавов на основе никеля.

Режим AC - для наращивания алюминия.

Возможность изменения режима работы позволяет выбрать надлежащий режим производства. Кроме того, режимы постоянного тока могут быть импульсными для лучшего регулирования тепловложения. Частоту импульсов можно установить в диапазоне от 1 Гц до 2000 Гц. 

Преимуществом PTA является возможность запуска плазменной дуги без добавления проволоки. Это позволяет создавать параметры процесса, такие как предварительный нагрев основания перед наплавкой и самой заготовки. 

В отличие от других источников энергии для DED плазменная горелка генерирует плазму высокого давления, которая прижимает сварочную ванну в направлении, противоположном направлению движения горелки. Такое свойство позволяет аккуратно завершать наплавку слоя при изготовлении некруглой части изделия.

 
Рисунок 2: Схема покрытия слоя

На рисунке 2 показана схема наплавления слоя. Поскольку плазма «нажимает» на сварочную ванну в противоположном направлении (1), конечная кромка не является прямой (2). При сварке в противоположном направлении сварочная ванна прижимается к торцевой кромке (3) и образуется сглаженный край.

PWD не склонна к образованию на поверхности слоя «горбов». 

Для более высокой скорости наплавки также возможна сварка с помощью горячей проволоки. Подогрев сварочной проволоки достигается путем создания цепи между заготовкой и проволокой. Когда проволока касается заготовки, она нагревается сопротивлением и снижает потребление энергии плазмой для плавки проволоки. Таким образом, возможны более высокие скорости подачи проволоки и достигается более высокая скорость наплавки.

 Рисунок 3: Более высокие скорости наплавки с использованием горячей проволоки

Виды материалов и возможности сварки

Поскольку -система работает с PTA, используемые материалы - исходное сырье (в виде проволоки) и основание - должны быть токопроводящими. Все материалы, которые могут быть сварены с помощью PTA, могут быть изготовлены при помощи нашей AТ-системы. В таблице 2 показаны все предпочтительные комбинации режимов РТА с известными материалами.

 Таблица 2: Возможные комбинации режимов сварки и материалов

AТ-система может использовать многопроволочный подающий механизм (MWF), что означает, что она подает несколько проволок в PTA. MWF обеспечивает более низкие скорости подачи проволоки, что делает процесс печати еще более стабильным.

 Рисунок 4: устройство подачи проволоки и плазменная горелка AТ системы

Скорость наплавки

Одним из основных преимуществ PWD является высокая скорость осаждения по сравнению с другими АТ-процессами.

Во время наших испытаний мы достигли скорости осаждения 4-10 кг/ч в зависимости от используемых материалов и используемого набора параметров сварки. Однако предел потенциала намного выше, и мы постоянно находим новые параметры для достижения более высоких скоростей наплавки. 

4. Схема 3D принтера

3D принтер (рис 5) состоит из 6 осевой  CNC установки.

- 4 оси для перемещения плазмотрона (оси X, Y, Z, поворот по своей оси C)

- 2 оси поворотного стола (A, B)

 рис 5 Схема 6-осевого 3D принтера

 6-осевая конструкция установки позволяет изготавливать цилиндрические, сферические, конические и общие трехмерные объекты (рис. 6)

Максимальный размер изделий составляет 800x600 мм при максимальной массе 500 кг. Вместо поворотно-наклонного устройства может быть установлен зажимной стол размером 2400x1200 мм. Это позволяет реализовать изделия размером 2000x600x600 мм, весом до 2000 кг.

Поскольку 3D-наращивание предъявляет самые высокие требования к производимому изделию, то вокруг него должна поддерживаться атмосфера защитного газа на протяжении всего процесса печати.

Установка спроектирована таким образом, чтобы время заполнения газа было как можно быстрее и достаточно малым объёмом, что, в свою очередь, сокращает время продувки и экономит инертный газ.

 рис 6 пример выращенных изделий

 Весь процесс наращивания изделия контролируется и записывается с помощью системы видеокамер и связан с записанными в память параметрами движения и процесса наращивания (например, током плазмы, напряжением плазмы, расходом газа и т. д.) Это значительно упрощает, например, последующую оценку и оптимизацию процесса.

Другим условием обеспечения качества наращивания является контроль геометрии изделия, где после каждого слоя сканируется объект и его номинальная геометрия сравнивается с фактической геометрией. Путем контроля параметров плазмы можно обнаружить и устранить такие дефекты, как образование пор.

 На рисунке 7 показано трехмерное сканирование изделия, показывающее подложку и структуру материала (красная окраска).

 рис 7 3D сканирование изделия

Для обеспечения, в установке с наполненым с инертным газом, быструю смену подложки и быстроизнашивающихся расходных материалов и запчастей в 3D принтер встроены «ручные перчатки».

Весь процесс движений наращивания контролируется с помощью G-кода, и происходящие движения можно отслеживать во время движений через интерфейс «человек-машина».

 

 рис 8 Оси на 3D принтере

На рисунке 9 показан 3D-принтер в базовой конструкции, установка состоит из рабочей зоны и шкафа управления. Благодаря компактной конструкции (3200x2100x3200) и общей массе до 5000 кг, установка может быть размещена в контейнере.

Шкаф управления установки состоит из шкафа для контроллеров, инверторного шкафа и шкафа охлаждающих контуров.

  Рис. 9 Схема шкафов установки

Контура охлаждения установки подключены к внешнему источнику охлаждения, который может быть реализован либо с помощью холодильной установки на месте, либо с помощью сети охлаждения. 

Прикреплённый на стороне пульт управления служит для ввода параметров движения и парметров плазменной дуги при наращивания изделия.

Каркас установки выполнен из нержавеющей стали, к которому прикреплены оси (X, Y, Z) , поворотно-наклонный стол, плазматрон и устройство подачи проволоки.

Относительно небольшой объем установки с инертным газом, около 10 м³, позволяет сократить время продувки, а также снизить расход инертного газа.

Программное обеспечение под названием Plasma Control Software (PCS) разработано нашими програмистами и может быть использовано в соответствии с потребностями наших клиентов.

Используемые материалы и виды работ

 В системе AM используется двухпроводное устройство подачи (DWF), опционально возможно многопроволочным устройством подачи (MWF). Оно обеспечивают более низкую скорость подачи проволоки по сравнению с одной подачей проволоки при сохранении той же производительности. Кроме того, DWF и MWF обеспечивают более стабильный процесс и позволяют организовать легирование заготовки. Легирование может быть локальным (зонирование) или глобальным. На следующем рисунке (10) показано легирование путем добавления двух разных видов проволоки.

 рис 10 Принцип легирования при подаче различных видов проволоки

Преимущество  процесса PWD

  • Использование доступной на рынке проволоки
  • Простое хранение проволоки
  • Дешевле чем остальные DED системы, например лазер, электроннолучевая сварка
  • Процесс без брызг
  • Высокий КПД по сравнению с другими AM процессами
  • Возможен предварительный нагрев изделия
  • Двойной механизм подачи проволоки, более стабильный процесс, возможность легирования
  • Подогрев подачи проволоки
  • Возможность наращивания слоёв и площади
  • Всё в одних руках, компания SBI

Смотрите фото и видео работы 3d принтера по ссылке

Примеры изделий


Al7075 (алюминий) наплавка уголка (после мех. обработки)
Наплавка титановой пластины

Al7075 (алюминий) наплавка уголка

Al5356 (алюминий) пластина 350 x 250 x 11 мм

Наплавка титана в защитной атмосфере

Al5356 алюминий, ширина ~35 мм
Al5356 алюминий с отфрезерованной поверхностью