Як DED скорочує цикли розробки металевих матеріалів?

Як DED скорочує цикли розробки металевих матеріалів

Група дослідників, яка розробляла новий алюмінієвий сплав для аерокосмічних конструкцій, мала оцінити 18 варіантів складу — для кожного з яких потрібно було виготовити литі заготовки, провести екструзію, термічну обробку, механічну обробку зразків для випробувань та виконати механічні випробування. Традиційний підхід зайняв би 14–18 місяців. Використовуючи В (Нанесення енергії за напрямком) з використанням дротової заготівки та спеціального програмного забезпечення для планування траєкторії руху, команда надрукувала тестові зразки для всіх 18 варіантів за вісім тижнів. Програмне забезпечення автоматично генерувало оптимізовані траєкторії нанесення для кожного складу, адаптуючи параметри з урахуванням специфічних характеристик плавлення кожного варіанта. Найефективніші кандидати пройшли повну кваліфікацію на шість місяців раніше за традиційний графік.

В усуває бар’єр, пов’язаний з інструментальним забезпеченням, який історично уповільнював, удорожував і обмежував розвиток металевих сплавів — організації перевіряють менше складів, оскільки кожен із них є занадто коштовним і потребує занадто багато часу.

Традиційна перешкода у розробці матеріалів

Розробка нового металевого сплаву для конструкційних застосувань відбувається за шляхом, яким галузь матеріалознавства користується вже десятиліття: визначення складу, плавлення та лиття невеликого зливка, кування або прокатка зливка у лист або прут, механічна обробка зразків для випробувань, проведення механічних випробувань, аналіз отриманих результатів, коригування складу й повторення процесу. Кожна ітерація вимагає оснастки — литтєвих форм, штампів для кування, штампів для екструзії — вартість якої становить 5 000–50 000 доларів США за комплект, а термін її виготовлення — від чотирьох до восьми тижнів. Програма розробки, що передбачає перевірку п’яти ітерацій трьох кандидатів-сплавів, може включати 15 ітерацій, витратити 150 000–750 000 доларів США на оснастку та потребувати 18–24 місяців, перш ніж буде замовлено першу партію сплаву в промисловому масштабі.

Фінансовими наслідками є те, що розробка матеріалів стає обережною щодо ризиків. Команди перевіряють вузькі діапазони складу навколо відомих сплавів, оскільки вартість дослідження справді нової хімії — складів, що значно відрізняються від існуючих марок, — є надмірно високою. Металургійні відкриття, які могли б забезпечити стрибкоподібне поліпшення міцності, стійкості до корозії чи експлуатаційних характеристик при підвищених температурах, залишаються недослідженими через те, що економіка ітерацій не сприяє дослідницькій роботі.

Як DED скорочує часовий цикл ітерацій

Виготовлення за один крок

В виготовляє випробувальні зразки безпосередньо з металевого порошку або дроту за один етап. Не потрібна жодна форма, жодна матриця, жодне інструментальне обладнання для екструзії. У процесі матеріал наноситься шар за шаром на платформу для побудови згідно з траєкторією руху інструменту, яку генерує програмне забезпечення CAM для адитивного виробництва. Простий прямокутний виріб, з якого потім будуть виготовлені зразки для випробувань на розтяг, втоми та корозії, може бути надрукований за кілька годин. Геометрія зразка, яку у традиційному підході виготовляють шляхом механічної обробки з кованих заготовок, у процесі DED формується як напівфабрикат майже остаточної форми, що потребує лише мінімальної остаточної механічної обробки.

Скорочення тривалості циклу є значним. Єдине варіювання складу за В — від вибору параметрів до завершених зразків для випробувань — займає три–десять днів залежно від кількості та складності зразків, порівняно з вісімма–дванадцятьма тижнями для традиційного циклу лиття–ковка–обробка. Вісім ітерацій складу, які в традиційному процесі розробки зайняли б цілий рік, завершуються за два–три місяці. Вартість кожної ітерації знижується з 10 000–50 000 до 500–2 000 доларів США на матеріали та час роботи обладнання.

Програмне забезпечення відіграє вирішальну роль у цьому прискоренні. Спеціалізовані CAM-платформи для DED генерують траєкторії інструменту, оптимізовані під конкретне джерело тепла, матеріал та геометрію. Алгоритми планування траєкторій керують послідовностями запуску й зупинки дуги, контролем температури між шарами та швидкістю нанесення — параметрами, які при ручному програмуванні вимагали б тривалого експериментування для кожного нового матеріалу. Автоматизована генерація траєкторій із верифікацією за допомогою симуляції скорочує час програмування для нового складу з кількох днів до кількох годин.

Друк матеріалів з градієнтним складом

В також дозволяє проводити випробування градієнтних матеріалів — здатність, яку не надає жоден традиційний процес. Змінюючи співвідношення двох або більше порошкових вихідних матеріалів або перемикаючись між різними складами дроту під час одного циклу побудови, система DED може створити єдиний зразок для випробування з неперервним градієнтом складу, наприклад, від 0 % до 10 % хрому на довжині 100 міліметрів. Зразки для випробування на розтяг, вирізані через кожні 10 міліметрів уздовж градієнта, забезпечують дані про механічні властивості для десяти точок складу, отримані в рамках одного циклу побудови — дані, для отримання яких традиційним способом потрібно було б провести десять окремих ливарних і ковальських випробувань.

Спільне дослідження Enigma-NOVA та Університету Лісабона з Inconel 625 ілюструє вплив В на основі розуміння матеріалу. Систематично змінюючи орієнтацію траєкторії друку при збереженні однакового складу, команда встановила, що перемикання траєкторії між шарами під кутом 90° призводить до утворення майже рівновісних зернистих структур із границею текучості 401 МПа та відносним подовженням 57 % — поєднання міцності й пластичності, що перевершує аналогічні показники традиційної гарячекатаної сплаву Inconel 625. Такий тип виявлення зв’язку «процес–властивості», який безпосередньо визначає специфікації виробництва, був би надто коштовним для дослідження за допомогою традиційних металургійних випробувань.

Від лабораторії до виробництва

Той самий В обладнання, що використовується для розробки матеріалів, може слугувати виробничою системою після кваліфікації сплаву та технологічного процесу. Параметри процесу, перевірені на тестових зразках, переносяться на виробничі компоненти, оскільки теплова історія — швидкість охолодження, температура між шарами, геометрія наплавленого шару — контролюється за допомогою того самого програмного забезпечення й апаратного забезпечення. Це усуває розрив у масштабуванні між лабораторними литтєвими випробуваннями та промисловими литтями в литейному цеху, який історично затримував введення нових сплавів на 6–12 місяців.

Поширені запитання

Як DED скорочує час розробки матеріалів порівняно з традиційними методами?

DED усуває необхідність у оснащенні для кожної ітерації складу — литтєвих форм, штампів для кування, інструментів для екструзії — і виготовлює тестові зразки безпосередньо протягом годин, а не тижнів. Одна ітерація завершується за 3–10 днів замість 8–12 тижнів за традиційними методами. Програма розробки з вісьмома ітераціями, яка зазвичай триває 12–18 місяців, реалізується за 2–3 місяці за допомогою DED.

Що таке друк градієнтних матеріалів у DED?

Градієнтне друкування змінює склад матеріалу безперервно під час одного циклу DED шляхом регулювання співвідношення двох або більше вихідних матеріалів. Єдиний тестовий зразок містить спектр складів — наприклад, вміст хрому, що змінюється від 0 % до 10 % уздовж його довжини, — що дозволяє оцінити механічні властивості кількох точок складу в рамках одного циклу друку замість необхідності окремих випробувань для кожного складу.

Як програмне забезпечення DED прискорює розробку процесу?

Спеціалізоване CAM-програмне забезпечення для DED автоматично генерує оптимізовані траєкторії інструменту для конкретних джерел тепла, матеріалів та геометрій. Алгоритми оптимізації траєкторій керують послідовністю вмикання/вимикання дуги, температурою між шарами та швидкістю нанесення. Моделювання з динамічною 360° візуалізацією перевіряє доступність та ризики зіткнення ще до початку друку, скорочуючи час на експериментальне програмування з днів до годин на кожен новий матеріал.

Чи можна виробляти матеріали, розроблені за технологією DED, у промислових масштабах?

Так. Те саме обладнання DED, що використовується для розробки матеріалів, може слугувати виробничою системою після кваліфікації сплаву та технологічного процесу. Параметри процесу, перевірені на тестових зразках, безпосередньо переносяться на виробничі деталі, оскільки теплова історія — швидкість охолодження, температура між шарами, геометрія наплавленого шару — контролюється однаково. Це усуває розрив між лабораторними й виробничими масштабами, який традиційно присутній у металургійній розробці.

Які металургійні дані можна отримати з тестових зразків DED?

Стандартні механічні випробування — розтяг (межа текучості, межа міцності, відносне подовження), втома (високочастотна та низькочастотна), в’язкість руйнування, твердість та корозійна стійкість — проводяться на зразках, виготовлених шляхом механічної обробки наплавлених заготовок DED. Мікроструктурна характеристика за допомогою СЕМ, ЕБСД та ТЕМ надає дані про розмір зерен, розподіл фаз та текстуру. Швидке затвердіння, притаманне DED, забезпечує тонкозернисту структуру, яка часто відповідає або перевершує властивості матеріалів, отриманих традиційними методами обробки.

Скільки варіантів складу може протестувати DED у рамках однієї програми розробки?

З ітераційними циклами тривалістю 3–10 днів одна система DED здатна протестувати 15–30 варіантів складу в межах програми розробки тривалістю 3–4 місяці — приблизно втричі–п’ятирічі більше, ніж традиційні методи, за одну десяту вартості на один варіант. Градієнтне друкування ще більше збільшує продуктивність, оскільки дозволяє тестувати кілька складів у межах одного виробу, забезпечуючи криві «склад–властивості» замість окремих точок даних.