EN
Как печатането с жица повишава ефективността на 3D печатането на метали
Аерокосмически производител, който произвежда титанови конструктивни скоби, сравни два подхода за адитивно производство за компонент от сплав Ti-6Al-4V с тегло 45 кг. Системата за лазерно DED въз основа на прах депозираше със скорост 0,6 кг/час при 60% използване на материала — за производството на 45-килограмов детайл са били изразходвани около 75 кг прах, като 30 кг неразтопен прах са изисквали ситене и рециклиране. печат с проводници Системата DED отложи същата геометрия с производителност 1,0 кг/час и почти 100% използване на материала — 45,5 кг жица произведоха готова детайл с тегло 45 кг. Подходът с жица достави компонента за 45 часа изграждане спрямо 75 часа при използване на прах, а разходите за суровини са с 40 % по-ниски на килограм отложен метал.
Печат с проводници в металното адитивно производство — независимо дали е базирано на дъга (WAAM), лазер или плазма — променя фундаменталната икономика на процеса. Разликите между жицата и праха надхвърлят значително само физическата форма на суровината.
Жица срещу прах — ефективността на разликата
Скорост на нанасяне
Разликата в скоростта на отлагане между жицата и праха има физически корени. печат с проводници алтернативният метод трябва да транспортира частици прах в газов поток към зоната на разтопяване, където само частиците, които пресичат повърхността на зоната на разтопяване, се прилепват — останалите се отнасят от газовия поток или отскачат от твърдия материал около зоната. Ефективността на депозирането при системи, използващи прах, обикновено е в диапазона 50–70 %, което означава, че 30–50 % от закупения прах се превръща в надвишаващ пръск („овърспрей“), който изисква събиране, ситене и потенциално повторно използване.
Системите, използващи тел, подават непрекъснат твърд филамент директно в зоната на разтопяване. Всеки милиметър от телта се превръща в депозиран метал. Ефективността на депозирането доближава 100 % — загубата се ограничава само до малката дължина на телта между подаващото сопло и зоната на разтопяване, а съвременните телени системи със синхронизирано управление на подаването намаляват дори тази загуба до пренебрежимо ниво. печат с проводници системи със синхронизирано управление на подаването намаляват дори тази загуба до пренебрежимо ниво.
Разликата в скоростта е значителна. При подаване на тел чрез лазер се постигат скорости на напръскване ≥1,0 кг/час при еквивалентни условия на лазерна мощност, при които при подаване на прах се постига около 0,6 кг/час — предимство в производителността от 40 %. Дъговите системи за подаване на тел, използващи технологията Cold Metal Transfer (CMT), постигат скорости на напръскване от 2–5 кг/час за стомана и никелови сплави и до 10 кг/час при конфигурации с висока скорост на напръскване за големи компоненти. Най-мощните системи за спояване в прашково легло, за сравнение, работят със скорост от 0,01–0,1 кг/час.
Използване на материала
Разликата в използването на материала е още по-решаваща от разликата в скоростта на напръскване. Система, базирана на прах, обикновено постига използване от 60 % — 100 кг закупен прах дават 60 кг напръскан метал. Останалите 40 кг представляват комбинация от надвишаващо напръскване (което може да се възстанови чрез сито, но е деградирало поради частично стопяване и окисляване), разпръснати капки (неповторно възстановими) и кондензат по стените на камерата.
Печат с проводници постига практически 100% използване на материала. Суровината във вид на жица е готов промишлен продукт — изтеглена с точно определен диаметър (±0,01 мм), с контролиран състав, чистота на повърхността и спецификации за отливка и хеликс, които гарантират последователно подаване. Стоимостта на жицата на килограм обикновено е с 40–60 % по-ниска от тази на еквивалентен прах, тъй като атомизирането на метал в сферичен прах със строго контролиран разпределен размер на частиците е енергоемък процес, който добавя 15–50 долара на килограм към стойността на суровината в сравнение с изтеглянето на жица.
Защо жицата позволява по-големи и по-бързи постройки
Физиката на подаването на прах създава практически ограничение за размера при адитивното производство, базирано на прах. Когато площта на разтопената вана се увеличава, за да се осигури по-висока скорост на депозиране, струята от прах трябва да покрива по-голяма площ равномерно. Динамиката на газовия поток става все по-трудна за контролиране — прашинките, които достигат до ръба на ваната, може да не се разтопят напълно, което води до дефекти от недостатъчно спояване. Подаването на тел решава този проблем, тъй като телта навлиза в разтопената вана в една единствена точка, независимо от размера ѝ, а динамиката на ваната разпределя материала.
Затова адитивното производство в големи мащаби — компоненти с размер над един метър по всяка от измеренията — преобладаващо използва процеси, базирани на тел. Шестметровият алуминиев корабен витло, произведен чрез печат с проводници Технологията WAAM, е комерсиално практично; същият компонент би изисквал система за печатане в прашково легло или система за директно екструзионно депозиране (DED) с прах, чийто размер и разходи биха били непозволителни, а времето за депозиране би се измервало в седмици, а не в дни.
Стойност на килограма
Комбинираният ефект от по-високата скорост на утаяване, по-високото използване на материала и по-ниската цена на суровините води до предимство по отношение на разходите за килограм за печат с проводници което прави големите метални адитивни части икономически жизнеспособни. За титановите сплави утаяването въз основа на тел струва 150–300 USD за килограм готова част в сравнение с 400–800 USD за килограм при лазерно утаяване с прах (DED) и 800–2000+ USD за килограм при утаяване в прашково легло. За стоманени и никелови сплави съотношенията са подобни, макар абсолютните цени да са по-ниски.
Често задавани въпроси
Колко по-бързо е печатането с тел в сравнение с порошковото метално 3D печатане?
Лазерното подаване на тел осъществява утаяване при скорост ≥1,0 кг/час в сравнение с 0,6 кг/час при еквивалентно лазерно подаване на прах — предимство от 40 % по производителност. Системите за утаяване с дъга и тел (WAAM) постигат 2–5 кг/час за стоманени и никелови сплави и до 10 кг/час при конфигурации с висока скорост на утаяване. Най-бързите системи за утаяване в прашково легло работят при скорост 0,01–0,1 кг/час, което означава, че печатането с тел е 10–500 пъти по-бързо в зависимост от сравнението.
Защо печатането с жица постига 100% използване на материала?
Жицата се подава като непрекъснат твърд филамент директно в областта на разтопяване. Всеки милиметър жица се превръща в отложен метал. Системите, използващи прах, губят 30–50 % от суровината като излишно напръскване — частици, които не попадат в областта на разтопяване и се отнасят от газовия поток. Почти перфектната ефективност на преноса при печатане с жица елиминира загубата на материал, присъща на процесите, базирани на прах.
Дали метала, произведен чрез печатане с жица, е толкова здрав, колкото метала, произведен чрез печатане с прах или традиционно производство?
Да. Печатането с жица произвежда напълно плътни отлагания с механични свойства, които отговарят или надвишават спецификациите за кован материал. За Inconel 625 компонентите, произведени чрез DED с жица, постигат граница на текучест 401 MPa, якост при опън 724 MPa и удължение 57 %. Бързото ствърдяване при процесите DED води до финозърнести микроструктури, които често са по-добри от лития материал и са сравними с кования материал.
Какви метали могат да се използват за печатане с жица?
Титанови сплави (Ti-6Al-4V), никелови суперсплави (Inconel 625, 718), неръждаеми стомани (316L, 17-4PH), алуминиеви сплави (2319, 4043, 5356), въглеродни стомани и кобалт-хромови сплави са търговски достъпни като жица за директно енергийно депозиране (DED). Производителите на жица все по-често предлагат сплави със състав, оптимизиран специално за термичните цикли на адитивното производство, а не за приложения в заваряването.
Какви са ограниченията за крайната повърхност при печатане с жица?
Повърхностите при печатане с жица в „свежо“ състояние имат характерна слоеста текстура с шерохавина Ra от обикновено 10–25 μm — по-груба от тази при метода с лост за прах (Ra 5–15 μm), но сравнима с тази при пясъчно леене. Функционалните повърхности (например, плоскости за лагери, уплътнителни повърхности, повърхности за съприкосновение) се довършват чрез CNC машинна обработка до изискваните допуски и спецификации за повърхност. Хибридните адитивно-субтрактивни системи извършват както депозирането, така и машинната обработка в един и същ монтаж, което изключва необходимостта от повторно фиксиране.
Как се справя печатането с жица с реактивни метали като титана?
Печатането с титанова жица изисква защита с инертна атмосфера — обикновено високочист аргон — в затворена камера или чрез локализирана система за подаване на защитен газ. Жицата, използвана като суровина, не е пирофорна, за разлика от титановия прах, който представлява опасност от пожар и експлозии. Това предимство по отношение на безопасността, заедно с по-високото използване на материала, прави жицата предпочитания източник на суровина за адитивно производство на титан в промишлен мащаб.