EN
Як дротова друкована технологія підвищує ефективність 3D-друку металів
Аерокосмічний виробник, що виготовляє титанові конструкційні кронштейни, порівняв два підходи до адитивного виробництва для компонента зі сплаву Ti-6Al-4V масою 45 кг. Система лазерного DED на основі порошку забезпечувала швидкість нанесення 0,6 кг/год при рівні використання матеріалу 60 % — для виготовлення деталі масою 45 кг було витрачено приблизно 75 кг порошку, з яких 30 кг невиплавленого порошку потрібно було просіяти та переробити. дротовий друк Система DED осаджувала ту саму геометрію зі швидкістю 1,0 кг/год із майже 100-відсотковим використанням матеріалу — 45,5 кг дроту дали готову деталь масою 45 кг. Підхід із використанням дроту забезпечив виготовлення компонента за 45 годин будування замість 75 годин, а вартість сировини була на 40 % нижчою за кілограм осадженого металу.
Дротовий друк у металевому адитивному виробництві — незалежно від того, чи це дуговий (WAAM), лазерний чи плазмовий процес — змінює фундаментальну економіку процесу. Різниця між дротом і порошком виходить далеко за межі просто фізичної форми сировини.
Дріт проти порошку — різниця в ефективності
Швидкість наплавлення
Різниця в швидкості осадження між дротом і порошком має фізичні корені. Порошкова подача дротовий друк альтернативний метод полягає у транспортуванні порошкових частинок потоком газу до зони плавлення, де прилипають лише ті частинки, що перетинають поверхню зони плавлення; решта частинок виносяться потоком газу або відбиваються від твердого матеріалу навколо зони плавлення. Коефіцієнт ефективності осадження в системах із подачею порошку зазвичай становить 50–70 %, тобто 30–50 % придбаного порошку стає надлишковим розпиленням, яке потребує збору, просіювання та потенційного повторного використання.
У системах із подачею дроту безперервна тверда нитка подається безпосередньо в зону плавлення. Кожен міліметр дроту перетворюється на осаджений метал. Коефіцієнт ефективності осадження наближається до 100 % — втрати можливі лише для невеликої ділянки дроту між подавальним соплом і зоною плавлення, а сучасні дротові дротовий друк системи з синхронізованою подачею зводять навіть ці втрати до незначного рівня.
Різниця в швидкості нанесення є суттєвою. Лазерне подавання дроту забезпечує швидкість нанесення ≥1,0 кг/год за умов еквівалентної потужності лазера, тоді як подавання порошку забезпечує приблизно 0,6 кг/год — перевага у продуктивності на 40 %. Дротові системи на основі дугового методу з використанням технології холодного переносу металу (CMT) досягають швидкості нанесення 2–5 кг/год для сталевих і нікелевих сплавів, а в конфігураціях з високою швидкістю нанесення на великих компонентах — до 10 кг/год. Найпотужніші системи спікання в порошковому ложі, натомість, працюють зі швидкістю 0,01–0,1 кг/год.
Використання матеріалу
Різниця у використанні матеріалу є ще більш вирішальною, ніж різниця у швидкості нанесення. Порошкова система зазвичай забезпечує коефіцієнт використання 60 % — 100 кг закупленого порошку дають 60 кг нанесеного металу. Решта 40 кг складається з надлишкового розпилення (яке можна відновити через просіювання, але його якість погіршується частковим плавленням та окисненням), бризок (які неможливо відновити) та конденсату на стінках робочої камери.
Дротовий друк досягає практично 100% використання матеріалу. Дріт як вихідний матеріал є готовим промисловим продуктом — витягнутий з точним дотриманням допуску діаметра (±0,01 мм), із контрольованим хімічним складом, чистотою поверхні та характеристиками лиття й гелікоїдності, що забезпечують стабільну подачу. Вартість дроту за кілограм зазвичай на 40–60 % нижча, ніж у еквівалентного порошку, оскільки атомізація металу в сферичний порошок із жорстким розподілом частинок за розміром є енергоємним процесом, який збільшує вартість вихідного матеріалу на $15–50 за кілограм порівняно з витягуванням дроту.
Чому дріт дозволяє створювати більші й швидші вироби
Фізичні закономірності подавання порошку визначають практичний розмірний ліміт для адитивного виробництва на основі порошків. Коли площа зони плавлення збільшується, щоб забезпечити вищі швидкості нанесення, струмінь порошку має рівномірно покривати більшу площу. Динаміка газового потоку стає все складнішою для контролю — порошкові частинки, що потрапляють на край зони плавлення, можуть не повністю розплавитися, утворюючи дефекти через неповне злиття.
Саме тому адитивне виробництво великих розмірів — компоненти, розміри яких перевищують один метр за будь-яким напрямком — переважно використовує процеси на основі дроту. Шестиметровий алюмінієвий корабельний гвинт, виготовлений за технологією дротовий друк WAAM, є комерційно доцільним; те саме виріб потребувало б системи з порошкової «ліжка» або порошкової DED надмірних розмірів і вартості, а час нанесення становив би тижні замість днів.
Вартість-на-кілограм
Комплексна дія вищої швидкості осадження, вищого коефіцієнта використання матеріалу та нижчої вартості вихідної сировини забезпечує перевагу у вартості на кілограм для дротовий друк що робить великі металеві адитивні деталі економічно вигідними. Для титанових сплавів вартість осадження на основі дроту становить 150–300 дол. США за кілограм готової деталі порівняно з 400–800 дол. США за кілограм для лазерного прямого енергетичного осадження (DED) на основі порошку та 800–2000+ дол. США за кілограм для сплавлення в порошковому ложі. Для сталевих і нікелевих сплавів співвідношення аналогічне, хоча абсолютні вартості нижчі.
Поширені запитання
Наскільки швидше дротове друкування порівняно з порошковим металевим 3D-друкуванням?
Лазерне подавання дроту забезпечує швидкість осадження ≥1,0 кг/год порівняно з 0,6 кг/год для еквівалентного лазерного подавання порошку — це перевага у продуктивності на 40 %. Системи дугового дротового осадження (WAAM) досягають швидкості 2–5 кг/год для сталевих і нікелевих сплавів і до 10 кг/год у конфігураціях з високою швидкістю осадження. Найшвидші системи сплавлення в порошковому ложі працюють зі швидкістю 0,01–0,1 кг/год, що робить дротове друкування в 10–500 разів швидшим залежно від порівняння.
Чому дротова друкована технологія забезпечує 100% використання матеріалу?
Дріт подається у вигляді безперервної суцільної нитки безпосередньо в зону плавлення. Кожний міліметр дроту перетворюється на наплавлений метал. У системах із подачею порошку втрачається 30–50 % вихідного матеріалу у вигляді надлишкового розпилення — частинок, які не потрапляють у зону плавлення й виносяться газовим потоком. Майже ідеальна ефективність передачі матеріалу при дротовій технології усуває втрати матеріалу, притаманні процесам на основі порошку.
Чи має метал, отриманий дротовим друком, таку саму міцність, як і метал, отриманий порошковим друком або традиційними методами виробництва?
Так. Дротова технологія DED забезпечує повну щільність наплавлених шарів і механічні властивості, що відповідають або перевершують специфікації кованого матеріалу. Для сплаву Inconel 625 компоненти, виготовлені методом дротового DED, досягають границі текучості 401 МПа, межі міцності на розтяг 724 МПа та відносного видовження 57 %. Швидке затвердіння в процесах DED сприяє формуванню мікроструктури з дуже дрібними зернами, яка часто перевершує за властивостями литий матеріал і наближається до характеристик кованого матеріалу.
Які метали можна використовувати для дротового друку?
Сплави титану (Ti-6Al-4V), нікелеві суперсплави (Inconel 625, 718), нержавіючі сталі (316L, 17-4PH), алюмінієві сплави (2319, 4043, 5356), вуглецеві сталі та кобальт-хромові сплави комерційно доступні у вигляді дроту для методу DED.
Які обмеження щодо якості поверхні має дротове друкування?
Поверхні, отримані безпосередньо після нанесення дротовим друкуванням, характеризуються шаруватою текстурою з шорсткістю поверхні, зазвичай Ra 10–25 мкм — грубішою, ніж у методі спікання шарів порошку (Ra 5–15 мкм), але порівнянною зі шорсткістю поверхонь, отриманих ливарним способом у піскових формах. Функціональні поверхні (опорні шийки підшипників, ущільнювальні поверхні, робочі поверхні стикання деталей) обробляють на верстатах з ЧПУ до необхідних допусків і параметрів шорсткості. Гібридні адитивно-субтрактивні системи виконують нанесення матеріалу та механічну обробку в одному циклі без перестановки деталі.
Як дротове друкування працює з реактивними металами, такими як титан?
Для друку проволокою з титану потрібна захисна атмосфера — зазвичай високочистий аргон — у герметичній камері або за допомогою локалізованої системи подачі захисного газу. Проволока як вихідний матеріал не є пірофорною, на відміну від титанового порошку, який становить небезпеку пожежі та вибуху. Ця перевага щодо безпеки, поєднана з вищим коефіцієнтом використання матеріалу, робить проволоку переважним вихідним матеріалом для адитивного виробництва з титану в промислових масштабах.