Ми їх не бачимо, але вони є: промислові гази в цифрових виробничих процесах 21 століття
Вівторок, 4 грудня 2018 р., 18:00.
В героїчну епоху 3D-друку - а це було лише 20 років тому - папір все ще використовувався для створення моделей. Процедура була розроблена для прискорення створення прототипів. Концепція виявилася життєздатною, і хоча її початкове призначення докорінно змінилося, принцип аддитивного виробництва (АМ), процес побудови продукту від шару до шару, з часом не змінювався.
Тому швидке створення прототипів більше не є проблемою, справжньою метою є вдосконалення цифрового виробництва (в якому ми контролюємо машину для виробництва добавок за допомогою САПР або інших даних) та впровадження 3D-друкованого масового виробництва. Піонери аддитивного виробництва, мільярдні інвестиції провідних машинобудівників та розробників технологій підштовхнули аддитивне виробництво до фази стрімкого зростання.
Переваги та застосування аддитивного виробництва
Поширеність АМ є найвищою у галузях, де вища додана вартість процесу переважає вищі витрати на виробництво. Такою доданою вартістю є краща функціональність товару, вища ефективність виробництва, спрощення налаштування, коротший час випуску на ринок та тривале застаріння У наукоємних секторах, таких як космос, автомобілебудування та медицина, прототипування пришвидшується, можна використовувати абсолютно нові конструктивні особливості та створювати абсолютно унікальні вироби без зайвих витрат. Підприємства, що виробляють високоцінні товари в менших обсягах, можуть створити більш гнучкі виробничі процеси з меншою кількістю деталей, меншим витратою матеріалу та навіть меншим часом складання навіть для складних виробів. Коротший час випуску на ринок, місцеве виробництво та виробництво на вимогу, а також незалежність від традиційних постачальників є найбільш привабливими варіантами для інтенсивних компонентів, задіяних у технічному обслуговуванні та ремонті.
Рисунок 1: Зроблено вирізанням * Рисунок 2: Виготовлено за допомогою 3D-друку *
Завдяки 3D-друку завдяки біонічному дизайну та оптимізації топології можна реалізувати особливі геометрії, навіть ті, які не піддаються керуванню традиційними методами. Ілюстративний приклад: Оптимізована структура моноблочного гідравлічного клапана, виготовленого звичайним різанням (рис. 1), призначеного для тривимірного друку та виготовленого з того ж матеріалу (AlSi10MG), показана на базовій пластині друку (рис. 2). [1] Дані про зменшення об’єму та ваги наведені в таблиці 1, яка також включає третій варіант, виготовлений/надрукований з кислотостійкого основного матеріалу (SS316L) з більш високою міцністю на розрив, що дозволило використовувати дроти меншої товщини стінки. [2]
Матеріал
AlSi10Mg
AlSi10Mg
SS316L
Об'єм (м 3)
Вага (кг)
Великою перевагою металодруку є те, що у виробництві використовується лише необхідна кількість матеріалу. Кожна заготовка виготовляється з меншим споживанням енергії, меншими витратами відходів, меншими транспортними витратами. Аддитивні процеси призводять до рівномірної мікроструктури та більш рівномірного хімічного складу по всьому об’єму деталі завдяки швидкому затвердінню. Ще однією ключовою перевагою металевого друку є те, що він дозволяє швидко виготовляти окремі деталі, протези, складні деталі, інтегровані з датчиками.
Однак асортимент матеріалів, які можна використовувати у виробництві добавок, постійно розширюється. Окрім широкого асортименту полімерів, які вже були розроблені і все ще перебувають у стадії розробки, існують також процеси та машини для друку кераміки, скла, паперу, дерева, цементу, графена і навіть живих клітин. Метод виробництва 21 століття вже допомагає таким галузям, як автомобільна та аерокосмічна промисловість, споживчі товари (включаючи продукти харчування) та охорона здоров’я (де штучні тканини людини виробляються шляхом виробництва добавок).
В аерокосмічній та автомобільній промисловості зменшення ваги є справжньою рушійною силою. В авіації втрата ваги на 0,5 кг може призвести до зменшення палива приблизно на 53000 літрів на рік. [3] В енергетичному секторі друк відіграє величезну роль у створенні турбінних лопатей та складних паливних форсунок. Все більше і більше продуктів експериментують, щоб замінити традиційні процеси інноваційними технологіями, тим самим зменшуючи викиди CO2.
Сьогодні виробництво добавок
Хоча в минулому вироби, виготовлені за допомогою технологій друку на металі, зробили революцію у виробництві прототипів, зменшивши час виготовлення прототипів на 70-75 відсотків, сьогодні серійне виробництво виходить на перший план. У галузі виробництва компонентів присадочний металевий друк може виробляти компоненти зі складною геометрією на 40-85 відсотків швидше, ніж традиційні процеси. [4] Все більша кількість металевих друкованих деталей, виготовлених таким чином, проходить суворі перевірки та отримує схвалення технології виробництва.
Новинки у виробництві сировини
Швидкий і безперервний розвиток в аерокосмічній галузі також впливає на технологічне оновлення 3D-друку. Багато нових матеріалів для друку, напр. SCALMALLOY (скадмій, алюміній, магнієвий сплав) обумовлений тим, що обробка добавками стала популярним виробничим процесом у цій галузі. [5] Виробники сировини також пропонують порошки все кращої якості та менших (15-50 мкм) діаметрів частинок (рис. 3). Як результат, шорсткість поверхні друкованої продукції зменшується, що дозволяє друкувати більш дрібні деталі. Плазмові, газові та конфігураційні технології атомізації, придатні для виробництва високоякісних металевих порошків, відіграють важливу роль у виробництві сировини.
Малюнок 3 (Джерело: Виробництво металевих добавок)
Невидимі актори в адитивному виробництві
Гази невидимі, проте їх роль важлива у виробництві добавок. Залежно від процесу або сировини, для захисту, транспортування або охолодження використовуються гази різної чистоти. При розпилювальному виробництві аргон використовується для титанових сплавів, а азот - для інших металів. Messer створив нову групу продуктів для адитивних процедур під назвою Addline (рис. 4).
Малюнок 4
Гази відіграють важливу роль у виробництві сировини, якісних порошків, утриманні вологи та кисню в середовищі тривимірного друку, а також впливають на процес швидкого плавлення та затвердіння. Належний потік газу видаляє утворені пари металів і частинки, що може зробити процес друку нестійким, частково поглинаючи енергію лазерного променя. Враховуючи, що в сучасному обладнанні потужність лазера вимірюється у верхній частині робочого простору, правильний контроль обсягу газу відіграє важливу роль у забезпеченні стабільної якості. Швидкий і безперервний обмін газу дуже важливий для підтримання чистоти робочого простору. Виробники машин постійно розвиваються в цій галузі, включаючи в машини все більш потужні газові циркулятори.
Наявність кисню небажано, тому метою в середовищі виробництва добавок буде забезпечення рівня кисню нижче 100 ppm (0,01%). Для цього використовуються гази чистоти 5,0 (99,999%), які можуть містити менше 2 ppm O2 і 3 ppm H2O. Для кислотостійких сталей, напр. інконель 625 або мардуючі сталі, фактичний рівень механічної обробки становить від 100 до 200 ppm. У випадку титанових сплавів це неможливо виконати через його високу реакційну здатність та здатність до газопоглинання. У них кисень присутній у значно більшій частці в процесі друку. Залежно від типу сировини, упаковки та зберігання, кількість кисню в порошках становить від 500 до 1000 ppm під час першого друку. Максимальне значення O2 у специфікації сировини Ti6Al4V становить 0,13%. Розподіл вмісту кисню в середньому порошкових частинок TiAl4V 30 мкм показано на малюнку 5. У той час як оксидний шар, що утворюється на поверхні частинки, містить 40% O2 при товщині майже 5 нм, у його внутрішній частині вміст O2 становить 0,08%. Чим дрібніший гранульований матеріал, тим більший об’єм поверхні, з якої виділяється кисень під час процесу. [6]
Малюнок 5 (Джерело: Ренішоу)
Малюнок 6 (Джерело: Ренішоу)
Частина кисню, що виділяється при плавленні, залишається в розплаві, тоді як інша частина поглинається підданими теплу порошками та частинками, що розбризкуються (рис. 6). Площа поверхні частинок пилу набагато більша за площу поверхні сформованого пласта, тому частина виділеного кисню буде жирити частинки пилу. У процесі друку, незважаючи на газовий захист, пил поступово поглинає кисень. При багаторазовому використанні діаметр сфер збільшується за рахунок оксидного шару, що утворюється на поверхні. Це проілюстровано на малюнку 7, де показано фотографію «незайманого» порошку, а потім порошків, використаних у 19 відбитках та 38 відбитках. Тому повторне використання вже використаних порошків обмежене, і пріоритетом розробки є класифікація порошків перед використанням та сортування використаних порошків. [7]
Малюнок 7 (Джерело: Ренішоу)
Проблеми тривимірного друку
- Однією з великих проблем є анізотропія друкованого зразка. Механічні властивості продукту сильно залежать від розташування шарів. У напрямку, перпендикулярному шарам, міцність на розрив гірша, ніж у довжині шарів.
- Теплопровідність порошків сировини набагато гірша, ніж твердого матеріалу, тому вплив перегріву та спікання необхідно враховувати в порядку мкм, частково розплавлене сировина прилипає до вже готового контуру (рис. 8) .
- Теплові напруження можуть спричинити тріщини, подовження та деформації.
Вищезазначені проблеми можна в основному вирішити, поєднавши правильну орієнтацію деталі з компенсацією деформації після визначення напруженого стану. Суть методу полягає в тому, що при друку враховуються відмінності друкованого зразка. У програмному забезпеченні для друку програма друку модифікується у напрямку, протилежному до спотворень. За допомогою цієї процедури відмінності будуть в десять разів меншими. [8]
Рисунок 8 (Джерело: Additiveworks)
Ринковий потенціал
Багато аналітиків вважають, що прямий ринок AM зросте до 20 мільярдів доларів до 2020 року - але це все одно буде лише часткою від загального ринку техніки. Однак є розрахунки, що загальний економічний вплив аддитивного виробництва може досягти набагато вищих рівнів - від 100 до 250 млрд. Доларів до 2025 року, якщо воно продовжить зростати за нинішніх темпів. Цей потенціал значною мірою обумовлений автомобільною, аерокосмічною, медичною та військовою промисловістю, а також виробництвом товарів народного споживання.
Незважаючи на безліч переваг аддитивного виробництва, галузь все ще стикається із серйозними проблемами у реалізації всього потенціалу процесу:
Планування
- Відсутність дизайнерських знань, таких як досвід у довгостроковій поведінці матеріалів або знань для створення структур, оптимізованих для виробництва добавок
- Високі ризики, пов’язані з правами промислової власності на дизайнерські інновації
Виробництво
- Високі виробничі витрати (собівартість матеріалу, обмеження часу циклу)
- Обмеження розміру
- Обмеження якості продукції (використовувані матеріали, їх сумісність, гнучкість та якість поверхні)
- Залежність через обмежену кількість якісних машинобудівників
Послуги
- Відсутність специфічних для галузі (наприклад, виробничих операцій) процедур випробувань
- Структурні недоліки мережі постачальників
- Можливий зрив ланцюга поставок