EN
Ускоряване на валидацията на нови материали чрез бързо прототипиране
Съкращаване на времето за разработка на сплави от месеци до дни
Разработването на нови сплави е революционизирано от металното печатане. Производителите са преминали към напълно интегрирани процеси, които са намалени от изпитания чрез леене, ковка и други процеси, протичащи в продължение на месеци, до валидация и изграждане на процеси, които се осъществяват за часове. Компаниите също могат лесно да модифицират състава — например съдържанието на никел в праховете на суперсплави — между отделните печатни цикли. Напредък е постигнат и при изпитването на материали за свойства като корозионна устойчивост, механична здравина и стабилност при високи температури. Общото време за научноизследователска и развойна дейност е намалено с един порядък, а процесът запазва висока степен на целостност на данните.
Затворена обратна връзка между параметрите на печатането, микроструктурата и механичната производителност
Традиционните методи на производство са направили почти невъзможно да се установи връзка между това, което влиза в производствения процес, и това, което излиза от него, как той функционира на микроскопично ниво и колко добре работи. Днешните технологии за метално печатане могат да осигурят тази връзка. Чрез използване на in situ микроскопия операторът може да наблюдава и документира в реално време промените в зърнената структура, предизвикани от промени в лазерната мощност и скоростта на сканиране. Този процес развива предиктивни възможности, които определят колко силни или колко еластични могат да станат материалите, без никакви модификации на пробите. Отличен пример за този процес е производството на титанови каркаси. Тези каркаси могат да бъдат проектирани с порестост, която се настройва с висока точност, като резултатът е предварително определено ниво на еластичност. Тази технология улеснява производството на титанови каркаси за аерокосмически скоби, както и за медицински импланти, където оптимизацията на якостта и теглото е от критично значение. Изразът „микроструктура по проект“ се използва, за да се опише това, което се случва, когато моделирането на фазовото поле и термичната симулация се прилагат едновременно. Инженерите могат да въведат желаните целеви свойства; например, граница на текучест при 650 °C, а системата самостоятелно създава план за обработка на материала, за да се постигнат тези цели надеждно във всички производствени серии.
Оптимизиране на проекти, насочени към производителност, чрез топологична и решетъчна оптимизация
Иновативен дизайн, който пренебрегва конвенционалните параметри и материали
С металното печатане традиционните ограничения при производството вече не са приложими, включително ъглите за изваждане, еднородната дебелина на стените и достъпът до инструментите. Дизайнерите повече не са принудени да правят компромиси с дизайна си. В резултат на това инженерите могат да използват методи за топологична оптимизация, за да създават по-чувствителни към натоварванията детайли. Материалите се добавят само когато е необходимо, а скелетът се състои от най-ефективната топология, за да отговаря на желаните изисквания относно якост, твърдост или термичен контрол. Някои нови компоненти отговарят на очакваните структурни показатели за производителност, като намаляват теглото си до 60–70 %. В промишлеността напредналите системи за охлаждане, специално проектираните решетъчни структури с променлива плътност и естествени ребра подобряват ефективността при контрол на температурата, абсорбирането на удари и намаляването на вибрациите. Тези подобрения са от критично значение за аерокосмическата индустрия, където е задължително намаляване на теглото, за енергийния сектор, където е от първостепенно значение ефективността, и за медицинските устройства, които изискват надеждна работа в различни структурни и термични условия. Сега проектираме структурите по-оптимално и премахваме излишния материал, вместо просто да ги проектираме така, че да бъдат структурно здрави при желаната производителност.
Картиране на деформациите на място и фазово-полево моделиране като инструменти за проектиране на решетки, базирано на данни
Решетъчните структури са направили значителен напредък през последните години. Шаблоните в предишните поколения решетъчни структури често бяха неоптимизирани и се третираха еднакво. Сега наблюдаваме интелигентни структури с функционални проекти, променящи се в пространството, базирани на мащабни физически модели и реални изпитателни данни. Това се осъществява в съчетание с инженерното проектиране на решетъчните структури. Проектът на решетъчните структури може да се създаде въз основа на местата, където ще се абсорбират удари (ауксетични структури), където са необходими по-здрави/поддържащи структури (октетни фермени структури) и където ще се прилагат натоварвания. Този метод на проектиране е показал увеличение на абсорбираната енергия с 30 % спрямо традиционния еднороден проект. Цифровият двойник има възможността да валидира и тества един проект, преди той да бъде реализиран. Поради този метод на проектиране се създават „обратни връзки“, при които проектите стават все по-оптимизирани и точни, докато механичните отговорни процеси се прогнозират с по-висока степен на сигурност.
Целенасочено разработване на сплави чрез метално печатане
Инженерство на микроструктури в рамките на сплавни системи: Ti-6Al-4V, Inconel 718 и AlSi10Mg
Благодарение на подобрения контрол върху затвърдяването и топлинните пътища, определени от процеса, металното печатане позволява инженерство на микроструктурата в критични сплавни системи. Вземете за пример сплавта Ti-6Al-4V. Слоевото адитивно производство осигурява стабилно съотношение между алфа- и бета-фазите, което подобрява устойчивостта на тази сплав към високоциклова умора с 40 % в сравнение с кованите или литите варианти. За Inconel 718 възможността за контролиране на скоростта на охлаждане води до финно и равномерно разпределение на гама-прайм утайки из цялата матрица, което подобрява устойчивостта на сплавта към пълзене при температури над 600 °C. Също така се подобрява и AlSi10Mg според този дизайн подход. Бързото затвърдяване променя както формата, така и разпределението на силициевата фаза, като подобрява пластичността с 25 % (заедно с добро ниво на твърдост, което е критично за леки конструкции).
Започвайки от дъното — от печатаеми прахове до материали, проектирани за конкретни експлоатационни характеристики (напр. кислород-контролирана 316L за импланти)
Пътят към високопроизводителни резултати започва с проектирани прахове: газово атомизирани, сферични частици (15–45 μm) осигуряват последователност по отношение на теча, плътност при уплътняване и стабилност на топлинната вана. При имплантирана стомана марка 316L съдържанието на кислород се поддържа строго под 200 ppm, за да се контролира образуването на оксиди, които биха предизвикали включвания, засягащи биосъвместимостта и умората на материала. Допълнителната обработка подобрява експлоатационните характеристики:
Термичната обработка за отстраняване на остатъчните/вградени напрежения решава проблема с остатъчните напрежения, причинени от температурните градиенти.
Горещото изостатично пресоване (HIP) премахва вътрешната порестост и повишава прага на умора.
Плазменото нитридиране или електрохимичното полиране подобряват корозионната стойкост на повърхността.
Контролът върху целия процес води до материали с 50 % по-добра остеоинтеграция в предклинични изследвания в сравнение с традиционно обработения сплав 316L — което илюстрира значението на характеризирането на праха, качеството на процеса и следпроцесната обработка за постигане на желания клиничен резултат.
Контрол върху микроструктурата и свойствата чрез стратегичен подбор на процесите при металното печатане
Голяма промяна наближава в индустрията за метално печатане благодарение на развитието на методите за печатане: селективно лазерно топене (SLM) и депозиране чрез насочена енергия (DED). Тези техники дават възможност на потребителите да адаптират микроструктурата на печатаните материали, като се фокусират върху разпределението на твърдите фази и състоянията на метала по време на печатането. Входните параметри за процесите DED и SLM водят до множество различни и контролирани резултати в крайния материал. Тези входни параметри включват: мощност на лазера, скорост на сканиране и дебелина на слоя – съответно при мощност от 200 до 1000 W, скорост от 0,5 до 15 m/s и дебелина от 20 до 100 μm. Тези контролирани резултати включват, но не се ограничават само до: размера на микрозърната в структурата, фазовата структура и наличието на дефекти. SLM е известен с производството на ултрафини микроструктурни материали, отговарящи на най-високите стандарти и регулации, необходими за проводящите материали в авиационни двигатели, където уморителните свойства са най-голямата загриженост. DED е напълно различен в бързината си. DED е способен да произвежда изключително висококачествени промишлени структури – от малки до големи – чрез литейна технология по време на печатането на множество метали, благодарение на управлението на енергията по време на процеса. Най-качествената информация относно тези процеси сочи, че потребителите могат да установяват корелации, които преди това не са съществували, между свойствата на материалите и прилаганите процеси; освен това повечето качествена информация твърди, че тези процеси намаляват времето, необходимо за механична сертификация на печатаните части, с две трети. Това твърдение е вярно, когато частите са проектирани от потребителите така, че да отговарят на стандартите и регулациите на ISO/ASTM и на стандартите за изпитване на механичните свойства – здравина при опън, уморителни свойства и устойчивост на пукнатини.
Често задавани въпроси
Какво е металното печатане и колко бързо улеснява валидацията на материали?
Металното печатане, предимно за бързо прототипиране, позволява на производителите едновременно да създават и оценяват нови сплави чрез допълнителни процеси, като намалява времето за разработка от месеци до дни.
По какъв начин металното печатане подобрява разработката за конкретни сплави като Ti-6Al-4V?
Металното печатане позволява целенасочено инженерство на микроструктурата чрез записана топлинна история и контролирано затвърдяване, което подобрява микроструктурите и значително повишава свойства като устойчивостта към умора.
Какви предимства носи прилагането на топологична и решетъчна оптимизация при металното печатане?
Металното печатане позволява използването на топологична оптимизация и решетъчни структури, които водят до по-леки и по-ефективни компоненти, като по този начин подобряват производителността в такива индустрии като авиационната и космическата, енергетиката и медицината.
Какви ползи произтичат от интеграцията в затворен цикъл в процесите на металното печатане?
Интеграцията с обратна връзка подобрява предсказуемостта на микроструктурата и механичните характеристики на материала, което позволява оценката на якостта и еластичността му без необходимост от физическо тестване.