Oportunități și limitări în fabricarea aditivă

Nu le vedem, dar sunt acolo: gaze industriale în procesele digitale de fabricație din secolul XXI

Marți, 4 decembrie 2018, ora 18:00

În epoca eroică a imprimării 3D - care a fost acum doar 20 de ani - hârtia era încă folosită pentru a crea modele. Procedura a fost dezvoltată pentru a accelera prototiparea. Conceptul s-a dovedit viabil și, deși scopul său inițial s-a schimbat fundamental, principiul fabricării aditive (AM), procesul de construire a unui produs de la strat la strat, nu s-a schimbat în timp.

Astfel, prototiparea rapidă nu mai este o provocare, adevăratul obiectiv este îmbunătățirea producției digitale (în care controlăm mașina de producție aditivă folosind CAD sau alte date) și implementarea producției de masă tipărite 3D. Pionierii producției aditive, investițiile miliardare ale unor mari constructori de mașini și dezvoltatori de tehnologie, au împins fabricarea aditivă într-o fază de dezvoltare ascendentă.

Avantajele și aplicațiile fabricării aditive

Prevalența AM este mai mare în industriile în care valoarea adăugată mai mare a procesului depășește costurile mai mari de producție implicate. O astfel de valoare adăugată este o funcționalitate mai bună a produsului, o eficiență mai mare a producției, o personalizare mai ușoară, un timp mai scurt de comercializare și o perimare prelungită. În sectoare intensive în cunoaștere, cum ar fi spațiul, auto și medicale, prototiparea se accelerează, pot fi exploatate caracteristici de design complet noi și pot fi create produse complet unice fără costuri inutile. Companiile care produc produse de valoare ridicată în volume mai mici pot crea procese de fabricație mai flexibile cu mai puține piese, consum mai mic de material și chiar și timpi de asamblare mai scurți pentru produse chiar complexe. Timpul mai scurt pe piață, producția locală și la cerere și independența față de furnizorii tradiționali sunt cele mai atractive opțiuni pentru sectoarele intensive în componente implicate în întreținere și reparații.

Figura 1: realizată prin tăiere * Figura 2: Realizat cu imprimare 3D *

Cu imprimarea 3D, grație designului bionic și optimizării topologiei, se pot realiza geometrii speciale, chiar și cele care nu ar putea fi gestionate cu metodele tradiționale. Un exemplu ilustrativ: O structură optimizată a unei supape hidraulice monobloc convenționale (Fig. 1) proiectată pentru imprimare 3D și realizată din același material (AlSi10MG) este prezentată pe placa de bază de imprimare (Fig. 2). [1] Datele privind reducerea volumului și a greutății sunt date în Tabelul 1, care include și o a treia variantă, fabricată/tipărită dintr-un material de bază rezistent la acid (SS316L) cu rezistență la tracțiune mai mare, care a permis utilizarea firelor cu grosime mai mică a peretelui. [2]

Material

AlSi10Mg

SS316L

Volum (m 3)

Greutate (kg)

Marele avantaj al imprimării metalelor este că numai cantitatea necesară de material este utilizată în producție. Fiecare piesă de prelucrat este realizată cu un consum mai mic de energie, mai puține deșeuri, costuri de transport mai mici. Procesele aditive au ca rezultat o microstructură uniformă și o compoziție chimică mai uniformă pe tot volumul piesei datorită solidificării rapide. Un alt avantaj cheie al imprimării metalelor este că permite producerea rapidă de piese individuale, proteze, piese complexe integrate cu senzori.

Cu toate acestea, gama de materiale care pot fi utilizate în producția de aditivi se extinde constant. În plus față de o gamă largă de polimeri deja dezvoltați și încă în curs de dezvoltare, există și procese și mașini pentru imprimarea ceramicii, sticlei, hârtiei, lemnului, cimentului, grafenului și chiar a celulelor vii. Metoda de fabricație din secolul XXI ajută deja sectoare precum industria auto și aerospațială, bunuri de larg consum (inclusiv produse alimentare) și asistență medicală (unde țesuturile artificiale umane sunt produse prin producție aditivă).

În industria aerospațială, reducerea greutății este adevărata forță motrice. În aviație, o pierdere în greutate de 0,5 kg poate duce la o reducere a combustibilului de aproximativ 53.000 de litri pe an. [3] În sectorul energetic, tipărirea joacă un rol imens în crearea lamelor de turbină și a injectoarelor complexe de combustibil. Din ce în ce mai multe produse sunt experimentate pentru a înlocui procesele tradiționale cu tehnologii inovatoare, reducând astfel emisiile de CO2.

Fabricarea aditivă în zilele noastre

În timp ce, în trecut, piesele realizate cu tehnologii de tipărire a metalelor au revoluționat producția de prototipuri, reducând timpul de prototipare cu 70 până la 75%, în prezent producția în serie vine în prim plan. În domeniul fabricării componentelor, imprimarea metalică aditivă poate produce componente cu geometrii complexe cu 40 până la 85% mai rapide decât procesele tradiționale. [4] Un număr din ce în ce mai mare de piese tipărite metalic produse în acest fel trec inspecții stricte și primesc aprobarea tehnologiei de producție.

Noutăți în producția de materii prime

Dezvoltarea rapidă și neîntreruptă din industria aerospațială are, de asemenea, un impact asupra reînnoirii tehnologice a imprimării 3D. Multe materiale noi tipărite, de ex. SCALMALLOY (skadmium, aluminiu, aliaj de magneziu) se datorează faptului că prelucrarea aditivă a devenit un proces de fabricație popular în această industrie. [5] De asemenea, producătorii de materii prime oferă pulberi de calitate tot mai bună și diametre mai mici (15-50 µm) ale particulelor (Figura 3). Ca urmare, rugozitatea suprafeței produselor tipărite este redusă, permițând tipărirea detaliilor mai fine. Tehnologiile de atomizare cu plasmă, gaz și configurație, care sunt potrivite pentru producerea de pulberi metalice de înaltă calitate, joacă un rol important în producția de materii prime.

Figura 3 (Sursa: Fabricarea aditivilor metalici)

Actori invizibili în producția aditivă

Gazele sunt invizibile, dar rolul lor este important în fabricarea aditivă. În funcție de proces sau de materia primă, gazele de puritate diferită sunt utilizate pentru sarcini de protecție, transport sau răcire. În producția de atomizare, argonul este utilizat pentru aliajele de titan, iar azotul este utilizat pentru alte metale. Messer a creat un nou grup de produse pentru procedurile aditive numit Addline (Figura 4).

Figura 4

Gazele joacă un rol important în producția de materii prime, pulberi de calitate și în menținerea umezelii și a oxigenului departe în mediul de imprimare 3D, precum și în afectarea procesului rapid de topire și solidificare. Fluxul adecvat de gaz elimină vaporii și particulele metalice generate, ceea ce poate face procesul de imprimare instabil prin absorbția parțială a energiei fasciculului laser. Având în vedere că în echipamentele actuale, puterea laserului este măsurată în partea de sus a spațiului de lucru, controlul adecvat al volumului de gaz joacă un rol important în asigurarea unei calități consistente. Schimbul rapid și continuu de gaz este foarte important pentru menținerea spațiului de lucru curat. În acest domeniu, producătorii de mașini se dezvoltă constant, încorporând circulatoare de gaz din ce în ce mai puternice în mașini.

Prezența oxigenului este nedorită, astfel încât obiectivul într-un mediu de fabricație aditivă ar fi asigurarea nivelurilor de oxigen sub 100 ppm (0,01%). Gazele utilizate pentru aceasta sunt de 5,0 puritate (99,999%), care pot conține mai puțin de 2 ppm O2 și 3 ppm H2O. Pentru oțelurile rezistente la acizi, de ex. inconel 625 sau oțel maraging, în timpul prelucrării efective, nivelul de oxigen este între 100 și 200 ppm. În cazul aliajelor de titan, acest lucru este imposibil de respectat datorită capacității sale mari de reactivitate și absorbție a gazelor. În acestea, oxigenul este prezent într-o proporție mult mai mare în procesul de imprimare. În funcție de tipul de materie primă, ambalare și depozitare, cantitatea de oxigen din pulberi este cuprinsă între 500 și 1.000 ppm în timpul primei tipăriri. Specificația materiei prime Ti6Al4V are o valoare maximă a O2 de 0,13%. Distribuția conținutului de oxigen al unei particule de pulbere TiAl4V în medie de 30 µm este prezentată în Figura 5. În timp ce stratul de oxid format pe suprafața particulei conține 40% O2 la o grosime de aproape 5 nm, interiorul său are un conținut de O2 de 0,08%. Cu cât materialul granular este mai fin, cu atât volumul suprafeței de pe care este eliberat oxigen este mai mare în timpul procesului. [6]

Figura 5 (Sursa: Renishaw)

Figura 6 (Sursa: Renishaw)

O parte din oxigenul eliberat în timpul topirii rămâne în topitură, în timp ce altul este absorbit de pulberile expuse la căldură și particulele de stropire (Fig. 6). Suprafața particulelor de praf este mult mai mare decât suprafața cusăturii generate, astfel încât o parte din oxigenul eliberat va îngrasa particulele de praf. În timpul procesului de imprimare, în ciuda protecției gazului, praful absoarbe treptat oxigenul. Cu utilizarea repetată, diametrul sferelor crește datorită stratului de oxid format la suprafață. Acest lucru este ilustrat în Figura 7, care prezintă o fotografie a pulberii „virgine” și apoi a pulberilor utilizate în cele 19 tipărituri și 38 de tipărituri. Prin urmare, reutilizarea pulberilor deja utilizate este limitată, iar prioritatea dezvoltării este clasificarea pulberilor înainte de utilizare și sortarea pulberilor uzate. [7]

Figura 7 (Sursa: Renishaw)

Provocările imprimării 3D

O mare problemă este anizotropia piesei tipărite. Proprietățile mecanice ale produsului depind puternic de locația straturilor. În direcția perpendiculară pe straturi, rezistența la tracțiune este mai slabă decât în lungimea straturilor.
Conductivitatea termică a pulberilor de materie primă este mult mai slabă decât cea a materialului solid, prin urmare, efectele de supraîncălzire și sinterizare trebuie luate în considerare în ordinea µm, materia primă parțial topită aderă la conturul deja terminat (Fig. 8) .
Stresele termice pot provoca fisuri, alungiri și deformări.

Problemele menționate mai sus pot fi rezolvate în mare măsură prin combinarea orientării corecte a piesei cu compensarea deformării în urma determinării stării de solicitare. Esența metodei este că diferențele piesei tipărite sunt luate în considerare la imprimare. În software-ul de imprimare, programul de imprimare este modificat în direcția opusă distorsiunilor. Cu această procedură, diferențele vor fi de zece ori mai mici. [8]

Figura 8 (Sursa: Additiveworks)

Potențial de piață

Mulți analiști consideră că piața directă a AM va crește până la peste 20 de miliarde de dolari până în 2020 - dar aceasta ar fi totuși doar o fracțiune din piața totală a utilajelor. Cu toate acestea, există calcule conform cărora impactul economic general al producției aditive ar putea atinge niveluri mult mai ridicate, între 100 miliarde USD și 250 miliarde USD până în 2025, dacă va continua să se extindă la ritmul actual. Acest potențial se datorează în mare parte industriilor auto, aerospațiale, medicale și militare, precum și producției de bunuri de larg consum.

În ciuda numeroaselor avantaje ale producției aditive, industria încă se confruntă cu provocări serioase în realizarea întregului potențial al procesului:

Planificare

Lipsa cunoștințelor de proiectare, cum ar fi experiența în comportamentul pe termen lung al materialelor sau cunoștințele pentru a crea structuri optimizate pentru producția aditivă
Riscuri ridicate asociate drepturilor de proprietate industrială pentru inovațiile de proiectare

Producție

Costuri ridicate de producție (cost material, limite de timp ale ciclului)
Limite de dimensiune
Restricții privind calitatea produsului (materialele utilizate, combinabilitatea lor, flexibilitatea și calitatea suprafeței)
Dependență datorită numărului limitat de constructori de mașini de calitate

Servicii

Lipsa procedurilor de testare specifice industriei (de exemplu, operațiuni de fabricație)
Deficiențe structurale ale rețelei de furnizori
Posibilă întrerupere a lanțului de aprovizionare