EN
Как проволочная печать повышает эффективность 3D-печати металлов
Аэрокосмический производитель, выпускающий титановые несущие кронштейны, сравнил два подхода аддитивного производства для компонента из сплава Ti-6Al-4V массой 45 кг. Система лазерного DED на основе порошка обеспечивала скорость осаждения 0,6 кг/ч при коэффициенте использования материала 60 % — для изготовления детали массой 45 кг было израсходовано около 75 кг порошка, при этом 30 кг нерасплавленного порошка требовали просеивания и повторного использования. печать проводов Система DED нанесла геометрию одинаковой формы со скоростью 1,0 кг/час и коэффициентом использования материала, близким к 100 %: из 45,5 кг проволоки был получен готовый изделие массой 45 кг. Использование проволоки позволило изготовить компонент за 45 часов построения вместо 75 часов, а стоимость исходного материала снизилась на 40 % за килограмм наплавленного металла.
Печать проводов в аддитивном производстве металлов — будь то дуговой (WAAM), лазерный или плазменный методы — кардинально меняет базовую экономическую модель процесса. Различия между проволокой и порошком выходят далеко за рамки физической формы исходного материала.
Проволока против порошка — разрыв в эффективности
Скорость наплавки
Разница в скорости наплавления между проволокой и порошком обусловлена физическими законами. При подаче порошка печать проводов альтернативный метод предполагает транспортировку частиц порошка газовым потоком к расплавленной ванне, где прилипают только те частицы, которые пересекают поверхность расплавленной ванны; остальные частицы уносятся газовым потоком или отскакивают от твердого материала, окружающего ванну. Коэффициент осаждения в системах с подачей порошка обычно составляет от 50 до 70 %, то есть от 30 до 50 % закупленного порошка превращается в избыточное распыление, требующее сбора, просеивания и потенциального повторного использования.
В системах с подачей проволоки непрерывная твердая нить подается непосредственно в расплавленную ванну. Каждый миллиметр проволоки превращается в осажденный металл. Коэффициент осаждения приближается к 100 % — потери возможны лишь на небольшом участке проволоки между подающим соплом и расплавленной ванной, а современные системы подачи проволоки с синхронизированным управлением снижают даже эти потери до пренебрежимо малых значений. печать проводов системы с синхронизированным управлением подачей снижают даже эти потери до пренебрежимо малых значений.
Разница в скорости наплавки существенна. Лазерная подача проволоки обеспечивает скорость наплавки ≥1,0 кг/час при одинаковой мощности лазера, тогда как при подаче порошка достигается скорость около 0,6 кг/час — это преимущество в производительности на 40 %. Дуговые системы подачи проволоки с технологией Cold Metal Transfer (CMT) обеспечивают скорость наплавки 2–5 кг/час для сталей и никелевых сплавов, а в конфигурациях с высокой скоростью наплавки на крупногабаритных деталях — до 10 кг/час. В сравнении с этим самые производительные системы лазерного плавления в порошковой ванне работают со скоростью 0,01–0,1 кг/час.
Использование материала
Разрыв в коэффициенте использования материала ещё более значителен, чем разрыв в скорости наплавки. Порошковые системы, как правило, обеспечивают коэффициент использования 60 %: из 100 кг закупленного порошка получается 60 кг наплавленного металла. Остальные 40 кг состоят из избыточного распыления (восстанавливаемого путём просеивания, но деградированного вследствие частичного плавления и окисления), брызг (невосстанавливаемых) и конденсата на стенках рабочей камеры.
Печать проводов обеспечивает практически 100%-ное использование материала. Проволочная исходная заготовка представляет собой готовый промышленный продукт — протянута с точным соблюдением допусков по диаметру (±0,01 мм), имеет контролируемый химический состав, чистую поверхность, а также заданные параметры литой структуры и спиральной формы, гарантирующие стабильную подачу. Стоимость проволоки за килограмм обычно на 40–60 % ниже, чем у эквивалентного порошка, поскольку процесс атомизации металла в сферические частицы с узким распределением по размеру является энергоёмким и увеличивает стоимость исходного материала на 15–50 долларов США за килограмм по сравнению с протяжкой проволоки.
Почему проволока позволяет создавать более крупные и быстрые изделия
Физические принципы подачи порошка определяют практический предел размеров при аддитивном производстве на основе порошковых материалов. По мере увеличения площади зоны плавления для обеспечения более высоких скоростей наплавки поток порошка должен равномерно покрывать всё большую площадь. Динамика газового потока становится всё сложнее контролировать: частицы порошка, попадающие на край зоны плавления, могут не расплавиться полностью, что приводит к дефектам неполного сплавления. Подача проволоки решает эту проблему, поскольку проволока вводится в зону плавления в одной точке независимо от её размеров, а динамика зоны плавления обеспечивает равномерное распределение материала.
Поэтому при крупногабаритном аддитивном производстве — то есть при изготовлении компонентов, размеры которых превышают один метр по любому из измерений — подавляющее большинство процессов основано на использовании проволоки. Шестиметровый алюминиевый корабельный пропеллер, напечатанный с помощью печать проводов Технологии WAAM, является коммерчески целесообразным; тот же компонент потребовал бы использования системы лазерной наплавки порошком или системы прямого энергетического наплавления (DED) с порошковой подачей чрезмерных размеров и стоимости, а время наплавки составило бы недели вместо дней.
Стоимость на килограмм
Совокупное воздействие более высокой скорости напыления, более высокого коэффициента использования материала и более низкой стоимости исходного сырья обеспечивает преимущество в стоимости за килограмм для печать проводов что делает крупные металлические аддитивные детали экономически целесообразными. Для титановых сплавов стоимость напыления проволокой составляет 150–300 долларов США за килограмм готовой детали по сравнению с 400–800 долларами США за килограмм при лазерном направленном энергетическом напылении (DED) на основе порошка и 800–2000+ долларов США за килограмм при аддитивном производстве методом спекания в порошковой ванне. Для сталей и никелевых сплавов соотношения аналогичны, хотя абсолютные затраты ниже.
Часто задаваемые вопросы
Насколько быстрее проволочная печать по сравнению с порошковой металлической 3D-печатью?
Лазерное напыление проволоки достигает скорости ≥1,0 кг/час по сравнению с 0,6 кг/час при эквивалентном лазерном напылении порошка — это преимущество в производительности на 40 %. Системы напыления проволокой на основе дуги (WAAM) обеспечивают скорость 2–5 кг/час для сталей и никелевых сплавов и до 10 кг/час в конфигурациях с высокой скоростью напыления. Самые быстрые системы спекания в порошковой ванне работают со скоростью 0,01–0,1 кг/час, что делает проволочную печать в 10–500 раз быстрее в зависимости от сравниваемых систем.
Почему при печати проволокой достигается 100-процентное использование материала?
Проволока подаётся в виде непрерывной сплошной нити непосредственно в зону расплава. Каждый миллиметр проволоки превращается в напечатанный металл. В системах с подачей порошка теряется от 30 до 50 % исходного материала в виде избыточного распыления — частиц, не попадающих в зону расплава и уносимых газовым потоком. Почти идеальная эффективность передачи материала при печати проволокой устраняет потери, присущие процессам на основе порошка.
Обладает ли металл, напечатанный проволокой, такой же прочностью, как металл, напечатанный порошком, или полученный традиционными методами?
Да. Печать проволокой обеспечивает формирование полностью плотных наплавленных слоёв с механическими свойствами, соответствующими или превышающими требования к деформируемым материалам. Для сплава Inconel 625 компоненты, изготовленные методом DED с использованием проволоки, демонстрируют предел текучести 401 МПа, предел прочности при растяжении 724 МПа и относительное удлинение 57 %. Быстрая кристаллизация в процессах DED приводит к формированию мелкозернистой микроструктуры, которая зачастую превосходит литые материалы и сопоставима с поковками.
Какие металлы можно использовать для печати проволокой?
Титановые сплавы (Ti-6Al-4V), никелевые жаропрочные сплавы (Inconel 625, 718), нержавеющие стали (316L, 17-4PH), алюминиевые сплавы (2319, 4043, 5356), углеродистые стали и кобальт-хромовые сплавы доступны в коммерческих поставках в виде проволоки, пригодной для процесса DED. Производители проволоки всё чаще предлагают составы сплавов, специально оптимизированные для термических циклов аддитивного производства, а не для сварочных применений.
Каковы ограничения по шероховатости поверхности при печати проволокой?
Поверхности, полученные непосредственно при печати проволокой, характеризуются выраженной слоистой текстурой и шероховатостью Ra 10–25 мкм — это грубее, чем у изделий, полученных методом лазерного спекания порошка (Ra 5–15 мкм), но сопоставимо с литьём в песчаные формы. Рабочие поверхности (опорные шейки подшипников, уплотнительные поверхности, сопрягаемые поверхности) обрабатываются на станках с ЧПУ до требуемых допусков и параметров шероховатости. Гибридные аддитивно-субтрактивные системы выполняют наплавку и механическую обработку в одной установке, исключая необходимость повторной базирования детали.
Как печать проволокой работает с реакционными металлами, такими как титан?
Печать проволокой из титана требует защиты инертной атмосферой — обычно высокочистым аргоном — в герметичной камере или с помощью локальной системы подачи защитного газа. Проволока-исходный материал не является пирофорной, в отличие от титанового порошка, который представляет опасность возгорания и взрыва. Это преимущество с точки зрения безопасности, в сочетании с более высоким коэффициентом использования материала, делает проволоку предпочтительным исходным материалом для аддитивного производства изделий из титана в промышленном масштабе.