EN
Как DED сокращает циклы разработки металлических материалов
Научная группа, разрабатывающая новый алюминиевый сплав для конструкционных аэрокосмических применений, должна была оценить 18 вариантов состава — каждый из которых требовал получения литых заготовок, прессования, термообработки, механической обработки до образцов для испытаний и проведения механических испытаний. Традиционный подход занял бы 14–18 месяцев. С использованием Дед (Метод направленного энергетического осаждения) с использованием проволочной заготовки и специализированного программного обеспечения для планирования траекторий, разработанного специально для систем ЧПУ; команда напечатала образцы для всех 18 вариантов за восемь недель. Программное обеспечение автоматически генерировало оптимизированные траектории осаждения для каждого состава, адаптируя параметры под конкретные характеристики плавления каждого варианта. Наиболее эффективные образцы прошли полную квалификацию на шесть месяцев раньше, чем это предусмотрено традиционным графиком.
Дед устраняет барьер, связанный с необходимостью изготовления оснастки, который исторически делал разработку металлических сплавов медленной, дорогостоящей и консервативной: организации тестируют меньше составов, поскольку каждый из них требует слишком много времени и средств.
Традиционное узкое место в разработке материалов
Разработка нового металлического сплава для конструкционных применений следует традиционному пути, используемому в материаловедческой промышленности на протяжении десятилетий: определение состава, плавка и литьё небольшого слитка, ковка или прокатка слитка в лист или пруток, механическая обработка образцов для испытаний, проведение механических испытаний, анализ результатов, корректировка состава и повторение цикла. Каждая итерация требует оснастки — литейных форм, штампов для ковки, штампов для экструзии — стоимостью от 5 000 до 50 000 долларов США за комплект, а её изготовление занимает от четырёх до восьми недель. Программа разработки, предусматривающая проверку пяти итераций трёх перспективных сплавов, может потребовать 15 итераций, затратить от 150 000 до 750 000 долларов США на оснастку и занять от 18 до 24 месяцев до размещения первого заказа на промышленную плавку.
Финансовым следствием является то, что разработка материалов становится осторожной в отношении рисков. Команды тестируют узкие диапазоны составов вокруг известных сплавов, поскольку стоимость исследования по-настоящему новой химии — составов, значительно отличающихся от существующих марок, — непомерно высока. Металлургические открытия, способные обеспечить качественный скачок в прочности, коррозионной стойкости или эксплуатационных характеристиках при повышенных температурах, остаются неисследованными из-за того, что экономика итераций не поддерживает исследовательскую деятельность.
Как DED сокращает сроки итераций
Изготовление за одну операцию
Дед изготавливает испытательные образцы непосредственно из металлического порошка или проволоки за одну операцию. Отсутствуют формы, матрицы и инструменты для экструзии. В этом процессе материал наносится слой за слоем на платформу построения в соответствии с траекторией инструмента, сгенерированной программным обеспечением CAM для аддитивного производства. Простой прямоугольный заготовочный элемент, из которого впоследствии будут изготовлены образцы для испытаний на растяжение, усталость и коррозию, может быть напечатан за несколько часов. Геометрия образца, которая при традиционном подходе изготавливалась бы механической обработкой из кованой заготовки, формируется в процессе DED как почти готовая заготовка (near-net-shape preform), требующая лишь минимальной окончательной механической обработки.
Сокращение цикла изготовления является значительным. Одна итерация состава за Дед — от выбора параметров до готовых образцов для испытаний — занимает от трёх до десяти дней в зависимости от количества и сложности образцов по сравнению с восемью–двенадцатью неделями, необходимыми при традиционном цикле литья–ковки–механической обработки. Восемь итераций подбора состава, на которые ушло бы целый год при традиционной разработке, выполняются за два–три месяца. Стоимость каждой итерации снижается с 10 000–50 000 до 500–2 000 долларов США за материалы и машинное время.
Программное обеспечение играет решающую роль в этом ускорении. Специализированные CAM-платформы для технологии DED генерируют траектории инструмента, оптимизированные под конкретный источник тепла, материал и геометрию. Алгоритмы планирования траектории управляют последовательностями включения и выключения дуги, контролем температуры между слоями и скоростью наплавки — параметрами, при ручном программировании которых для каждого нового материала потребовалось бы длительное экспериментирование. Автоматическая генерация траекторий с верификацией в ходе моделирования сокращает время программирования для каждого нового состава с нескольких дней до нескольких часов.
Печать градиентных материалов
Дед также позволяет проводить испытания градиентных материалов — функция, недоступная при использовании традиционных методов. Изменяя соотношение двух или более порошковых исходных материалов или переключаясь между различными составами проволоки в ходе одной и той же сборки, система DED может создать единственный образец для испытаний с непрерывным градиентом состава — например, от 0 % до 10 % хрома на протяжении 100-миллиметровой длины. Образцы для растяжения, вырезанные через каждые 10 миллиметров вдоль градиента, позволяют получить данные о механических свойствах для десяти различных составов в рамках одной сборки — данные, которые при традиционном подходе потребовали бы десяти отдельных литьевых и кузнечных испытаний.
Совместное исследование университета «Энигма-НОВА» и Лиссабонского университета по сплаву Inconel 625 демонстрирует влияние Дед на основе понимания материалов. Изменяя ориентацию траектории печати по слоям при неизменном составе, исследовательская группа установила, что переключение траектории на 90° между слоями приводит к формированию почти равноосных зерен с пределом текучести 401 МПа и относительным удлинением 57 % — сочетание прочности и пластичности, превосходящее показатели традиционной горячекатаной сплава Inconel 625. Такого рода выявление взаимосвязи между технологическим процессом и свойствами материала, напрямую определяющее технические требования к производству, было бы чрезвычайно дорогостоящим при проведении традиционных металлургических испытаний.
От лаборатории к производству
То же самое Дед оборудование, используемое для разработки материалов, может служить производственной системой сразу после квалификации сплава и технологического процесса. Параметры процесса, проверенные на контрольных образцах, переносятся на производственные компоненты, поскольку тепловая история — скорость охлаждения, температура между слоями, геометрия наплавленного слоя — контролируется одним и тем же программным обеспечением и аппаратными средствами. Это устраняет масштабируемый разрыв между лабораторными литейными испытаниями и промышленными литейными циклами, который традиционно увеличивал срок вывода нового сплава на рынок на 6–12 месяцев.
Часто задаваемые вопросы
Как метод DED сокращает время разработки материалов по сравнению с традиционными методами?
Метод DED устраняет необходимость в оснастке для каждой итерации состава — литейных формах, штампах для ковки, инструментах для экструзии — и изготавливает испытательные образцы непосредственно за часы вместо недель. Одна итерация занимает 3–10 дней по сравнению с 8–12 неделями при традиционном подходе. Программа разработки, включающая восемь итераций и требующая 12–18 месяцев при традиционных методах, завершается за 2–3 месяца с использованием DED.
Что такое печать градиентных материалов в DED?
Градиентная печать изменяет состав непрерывно в ходе одной операции DED за счёт регулирования соотношения двух или более исходных материалов. Единый образец-свидетель содержит спектр составов — например, содержание хрома вдоль его длины изменяется от 0 % до 10 % — что позволяет оценить механические свойства сразу нескольких точек состава по результатам одной печати, а не требует отдельных испытаний для каждого состава.
Как программное обеспечение для DED ускоряет разработку процесса?
Специализированное CAM-программное обеспечение для DED автоматически генерирует оптимизированные траектории инструмента под конкретные источники тепла, материалы и геометрию. Алгоритмы оптимизации траекторий управляют последовательностями включения/выключения дуги, межслойной температурой и скоростью наплавки. Моделирование с динамической визуализацией на 360° позволяет проверить доступность зоны обработки и риски столкновений ещё до начала печати, сокращая время программирования методом проб и ошибок с нескольких дней до нескольких часов на каждый новый материал.
Можно ли производить материалы, разработанные методом DED, в промышленных масштабах?
Да. То же самое оборудование DED, используемое для разработки материалов, может служить производственной системой после квалификации сплава и технологического процесса. Параметры процесса, проверенные на контрольных образцах, напрямую переносятся на производственные детали, поскольку тепловая история — скорость охлаждения, температура между слоями, геометрия наплавки — контролируется одинаково. Это устраняет разрыв между лабораторной разработкой и промышленным производством, характерный для традиционной металлургической разработки.
Какие металлургические данные можно получить из испытательных образцов, полученных методом DED?
Стандартные механические испытания — растяжение (предел текучести, предел прочности, относительное удлинение), усталостные испытания (высокочастотная и низкочастотная усталость), испытания на вязкость разрушения, твердость и коррозионную стойкость — проводятся на образцах, вырезанных из изделий, полученных методом DED. Микроструктурная характеристика с помощью СЭМ, ЭБСД и ТЭМ позволяет определить размер зерна, распределение фаз и текстуру. Быстрая кристаллизация, присущая методу DED, обеспечивает формирование мелкозернистой структуры, свойства которой зачастую соответствуют или превосходят свойства материалов, полученных традиционными методами обработки.
Сколько вариантов состава может протестировать DED в одной программе разработки?
При циклах итерации продолжительностью 3–10 дней одна система DED способна протестировать от 15 до 30 вариантов состава в рамках программы разработки длительностью 3–4 месяца — что примерно в три–пять раз превышает производительность традиционных методов при стоимости на один вариант, составляющей одну десятую от их стоимости. Градиентная печать дополнительно увеличивает производительность за счёт тестирования нескольких составов в одном цикле построения, обеспечивая получение кривых «состав–свойство», а не отдельных точек данных.