EN
Ускорение валидации новых материалов с помощью быстрого прототипирования
Сокращение сроков разработки сплавов с месяцев до дней
Разработка новых сплавов была революционизирована металлической печатью. Производители перешли к полностью интегрированным процессам, которые сократились с испытаний методами литья, ковки и других процессов, занимавших месяцы, до валидации и отработки процессов, выполняемых за считанные часы. Компании также могут легко изменять составы — например, содержание никеля в порошках жаропрочных сплавов — между отдельными циклами печати. Достижения достигнуты и в области испытаний материалов на такие свойства, как коррозионная стойкость, механическая прочность и стабильность при высоких температурах. Общее время НИОКР сократилось на порядок величины, при этом процесс сохраняет высокую степень целостности данных.
Замкнутая интеграция параметров печати, микроструктуры и механических характеристик
Традиционные методы производства сделали практически невозможным установление связи между тем, что вводится в производственный процесс, и тем, что из него выходит, а также между его работой на микроскопическом уровне и его эксплуатационными характеристиками. Современные технологии металлической печати позволяют установить такую связь. С помощью встроенной микроскопии оператор может наблюдать и документировать изменения структуры зёрен в реальном времени, вызванные изменением мощности лазера и скорости сканирования. Этот процесс позволяет разработать предиктивные возможности, определяющие, насколько прочными или гибкими могут стать материалы без каких-либо модификаций образцов. Ярким примером такого процесса является изготовление титановых каркасов. Эти каркасы могут проектироваться с точно заданной пористостью, в результате чего они обладают заранее определённым уровнем эластичности. Данная технология способствует производству титановых каркасов для аэрокосмических кронштейнов, а также для медицинских имплантатов, где критически важна оптимизация прочности и массы. Термин «микроструктура по проекту» описывает то, что происходит при совместном использовании фазового поля моделирования и теплового моделирования. Инженеры могут задавать требуемые характеристики материала; например, предел текучести при 650 °C, и система автономно формирует план обработки материала, обеспечивающий достижение заданных характеристик надёжно и воспроизводимо в рамках всех производственных партий.
Оптимизация конструкций, ориентированных на производительность, с помощью топологической и решётчатой оптимизации
Инновационный дизайн, нарушающий традиционные параметры и материалы
С помощью металлической печати традиционные ограничения, связанные с производством, больше не действуют: углы вытяжки, единообразная толщина стенок и доступ инструмента. Конструкторам больше не приходится идти на компромиссы в своих проектах. В результате инженеры могут применять методы топологической оптимизации для создания деталей, более точно реагирующих на нагрузки. Материал добавляется только по мере необходимости, а каркас формируется из наиболее эффективной топологии, обеспечивающей требуемые характеристики прочности, жёсткости или теплового контроля. Некоторые новые компоненты соответствуют заданным требованиям к структурной производительности при одновременном снижении массы на 60–70 %. В промышленности передовые системы охлаждения, индивидуальные решётчатые структуры с переменной плотностью и естественные распорки повышают эффективность управления температурой, поглощения ударов и снижения вибрации. Эти усовершенствования имеют решающее значение в аэрокосмической отрасли, где необходима экономия массы; в энергетическом секторе, где первостепенное значение имеет эффективность; а также в медицинских устройствах, требующих надёжной работы в различных механических и тепловых режимах. Сегодня мы проектируем конструкции более оптимально и удаляем избыточный материал вместо того, чтобы просто обеспечивать их структурную надёжность при заданном уровне эксплуатационных характеристик.
Картографирование деформаций в реальном времени и фазово-полевое моделирование как инструменты проектирования решётчатых структур на основе данных
Решетчатые структуры значительно продвинулись в последние годы. Узоры в предыдущих поколениях решетчатых структур зачастую были неоптимизированными и одинаковыми по всей структуре. Сегодня мы наблюдаем интеллектуальные структуры с функциональными пространственно-переменными конструкциями, основанными на масштабных физических моделях и реальных испытательных данных. В совокупности с инженерным проектированием решетчатых структур их конструирование может осуществляться с учётом зон поглощения ударных нагрузок (ауксетические структуры), зон, где требуются более прочные или поддерживающие конструкции (структуры в виде октетной фермы), а также зон приложения нагрузок. Данная методология проектирования позволила повысить эффективность поглощения энергии на 30 % по сравнению с традиционной однородной конструкцией. Цифровой двойник позволяет верифицировать и тестировать проект до его реализации. Благодаря этой методологии проектирования создаются «обратные связи», в результате которых конструкции становятся всё более оптимизированными и точными по мере повышения достоверности прогнозирования механических откликов.
Целенаправленная разработка сплавов с помощью металлической печати
Инженерия микроструктур в рамках систем сплавов: Ti-6Al-4V, Inconel 718 и AlSi10Mg
Благодаря улучшенному контролю над процессами затвердевания и тепловыми потоками, определяемыми технологией, аддитивное производство металлов позволяет осуществлять инженерное проектирование микроструктуры в критически важных сплавных системах. Возьмём, к примеру, сплав Ti-6Al-4V. Слойное аддитивное производство обеспечивает стабильный баланс альфа- и бета-фаз, что повышает сопротивление этого сплава усталости при высоком числе циклов на 40 % по сравнению с деформированными или литыми аналогами. Для сплава Inconel 718 возможность контроля скорости охлаждения приводит к тонкому и равномерному распределению выделений гамма-штрих-фазы по всей матрице, что повышает сопротивление ползучести сплава при температурах свыше 600 °C. Этот подход к проектированию также улучшает характеристики сплава AlSi10Mg: быстрое затвердевание изменяет как форму, так и распределение кремниевой фазы, повышая пластичность на 25 % (при сохранении хороших показателей твёрдости — что особенно важно для лёгких конструкций).
Начиная с нижнего уровня — печатаемые порошки — и заканчивая материалами, разработанными под конкретные эксплуатационные требования (например, сталь 316L с контролируемым содержанием кислорода для имплантатов)
Путь к высокопроизводительным результатам начинается с порошков, полученных методом инженерной обработки: газоатомизированные сферические частицы (15–45 мкм и более) обеспечивают стабильность текучести, плотности упаковки и стабильности расплавленной ванны. Для имплантационной нержавеющей стали марки 316L содержание кислорода строго ограничивается значением менее 200 ч/млн для контроля образования оксидов, которые могут вызывать неметаллические включения, отрицательно влияющие на биосовместимость и усталостную прочность. Дальнейшая обработка повышает эксплуатационные характеристики:
Термообработка для снятия остаточных напряжений устраняет проблему остаточных / «запертых» напряжений, возникающих из-за температурных градиентов.
Горячее изостатическое прессование (HIP) удаляет внутренние поры и повышает порог усталостной прочности.
Плазменное азотирование или электрохимическая полировка повышают коррозионную стойкость поверхности.
Контроль всего процесса обеспечивает получение материалов с на 50 % более высокой остеоинтеграцией в доклинических исследованиях по сравнению с традиционно обрабатываемой сталью 316L — что подчёркивает важность характеризации порошка, качества выполнения технологического процесса и последующей обработки для достижения требуемого клинического результата.
Контроль микроструктуры и свойств посредством стратегического выбора процессов при металлической печати
В отрасли металлической печати ожидается крупное изменение благодаря развитию методов печати: селективному лазерному плавлению (SLM) и направленному нанесению энергии (DED). Эти технологии позволяют пользователям настраивать микроструктуру печатаемых материалов, уделяя особое внимание распределению твёрдых фаз и структурных состояний металлов в процессе печати. Входные параметры процессов DED и SLM обеспечивают множество различных, но контролируемых результатов в конечном материале. К таким входным параметрам относятся: мощность лазера, скорость сканирования и толщина слоя — при значениях мощности 200–1000 Вт, скорости 0,5–15 м/с и толщине слоя 20–100 мкм соответственно. К числу таких контролируемых результатов относятся, в частности, размер микрозёрен структуры, фазовые структуры и наличие дефектов. Известно, что метод SLM позволяет получать материалы с ультратонкой микроструктурой, соответствующие самым высоким стандартам и нормативным требованиям, предъявляемым к проводящим материалам авиационных двигателей, где главным фактором является усталостная прочность. Метод DED принципиально отличается от SLM по скорости (FAST). DED способен производить промышленные изделия высочайшего качества — от небольших до крупногабаритных конструкций — с одновременным литьём нескольких металлов непосредственно в процессе печати за счёт точного управления подводимой энергией. Наиболее качественные данные об этих процессах указывают, что пользователи могут установить корреляции между свойствами материалов и применяемыми технологиями, ранее не выявленные. Кроме того, наиболее качественные данные свидетельствуют, что эти процессы сокращают время, необходимое для механической сертификации напечатанных деталей, на 2/3. Это утверждение справедливо при условии, что детали проектируются пользователями с учётом требований стандартов ISO/ASTM и других нормативов, регламентирующих испытания механических свойств — включая прочность при растяжении, усталостную прочность и сопротивление образованию трещин.
Часто задаваемые вопросы
Что такое металлическая печать и насколько быстро она ускоряет валидацию материалов?
Металлическая печать, в первую очередь применяемая для быстрого прототипирования, позволяет производителям одновременно создавать и оценивать новые сплавы с помощью дополнительных процессов, сокращая сроки разработки с месяцев до дней.
Каким образом металлическая печать ускоряет разработку конкретных сплавов, таких как Ti-6Al-4V?
Металлическая печать обеспечивает целенаправленную инженерную оптимизацию микроструктуры за счёт регистрации термической истории и контроля процесса затвердевания, что улучшает микроструктуру и значительно повышает такие свойства, как сопротивление усталости.
Какие преимущества даёт применение топологической и решётчатой оптимизации при металлической печати?
Металлическая печать позволяет использовать топологическую оптимизацию и решётчатые структуры, что приводит к созданию более лёгких и эффективных деталей и, как следствие, повышает эксплуатационные характеристики в таких отраслях, как аэрокосмическая промышленность, энергетика и медицина.
Какие выгоды даёт замкнутая интеграция в процессах металлической печати?
Замкнутая интеграция повышает предсказуемость микроструктуры и механических характеристик материала, что позволяет оценить прочность и гибкость материала без необходимости проведения физических испытаний.