Informacje prasowe

Drukowanie 3D w metalu nabiera tempa

Kwalifikacja wzoru zbiornika ciśnieniowego wykonanego w technice addytywnej

Drukowanie 3D w metalu z wykorzystaniem łuku elektrycznego jest na najlepszej drodze, aby poważnie zamieszać w produkcji metalowych elementów. W technologii wytwarzania addytywnego o wysokiej dokładności wymiarowo-kształtowej przy użyciu drutu spawalniczego trójwymiarowe obiekty nabierają kształtów w wyniku warstwowego nakładania kolejnych ściegów spawalniczych. Ma to zastosowanie np. w budowie instalacji technicznych, przemyśle lotniczym, produkcji narzędzi oraz w lekkich konstrukcjach. Zalety tej techniki uwydatniają się zwłaszcza w przypadku skomplikowanych geometrii o wysokim udziale skrawania. Wówczas taki proces jest bardziej elastyczny, a nierzadko bardziej ekonomiczny niż obróbka skrawaniem lub obróbka plastyczna. Korzyści są odczuwalne także w przypadku części zamiennych, budowy prototypów oraz produkcji małoseryjnej. W Ameryce Północnej drukowanie 3D w metalu zostało już uregulowane normami, a w Europie trwają prace nad standaryzacją wytwarzania addytywnego nieogrzewanych zbiorników ciśnieniowych. Mają one na celu przyspieszenie rozwoju tej metody produkcji opartej na łuku, a główną rolę w nich odgrywają firmy Linde Engineering, MIGAL.CO, TÜV SÜD Industrie Service GmbH i Fronius International. 

Elementy wykonywane indywidualnie i produkcja just-in-time

Klasyczne techniki produkcji, jak odlewanie, wiążą się często z pracochłonną budową form i narzędzi. Do tego dochodzą czasy realizacji i koszty rozwoju. Przejście na technikę drukowania 3D w metalu może znacznie skrócić cykle produkcyjne. Technologie wytwarzania addytywnego nie tylko sprzyjają szybszemu wykonywaniu elementów wzorcowych (Rapid Prototyping), ale także produkcji just-in-time. Wynika to z tego, że pomagają uniknąć ryzykownych sytuacji single source, czyli zależności od konkretnych dostawców w połączeniu z generującym wysokie koszty magazynowaniem. Jeśli są potrzebne różne elementy, wybiera się ich „receptury” w oprogramowaniu i drukuje dokładnie tyle sztuk, ile jest potrzebnych. Nie ma prawie żadnych ograniczeń co do geometrii komponentów. W produkcji addytywnej dominują formy zoptymalizowane pod względem topologii i przepływu – również w przypadku dużych elementów. 

Model metody elementów skończonych (FEM) zbiornika ciśnieniowego w formie odgałęzienia rurowego 

Proces spawania CMT idealny do drukowania 3D w metalu

W drukowaniu 3D wykorzystuje się różne metody. W procesach z wykorzystaniem drutu, jak „Fronius Additive” element zgrzewany budowany jest warstwa po warstwie ze stapianego drutu spawalniczego. Do stapiania musi być używane jak najmniej energii, aby nie wprowadzać za dużo ciepła do elementu. Do drukowania 3D w metalu elementów aluminiowych szczególnie dobrze nadaje się oparty na MIG proces spawania Cold Metal Transfer (CMT) firmy Fronius. CMT jest „chłodnym” procesem spawania łukiem zwarciowym, w którym mimo wysokiej wydajności stapiania do spoiny wprowadzana jest mała ilość ciepła. Nadaje się on znakomicie do spawania addytywnego, w którym cykliczne nakładanie ściegów spawalniczych wywołuje dużą ilość ciepła.

CMT obsługuje funkcje, które najlepiej nadają się do drukowania 3D w metalu. Taką funkcją jest na przykład „Korekta mocy”. Umożliwia ona precyzyjną regulację stosowanej mocy elektrycznej zależnie od fazy procesu przy utrzymaniu wydajności stapiania na stałym poziomie.

„Dzięki naszym funkcjom CMT Additive Pro zaprojektowanym specjalnie pod kątem produkcji addytywnej, takim jak korekta mocy albo Deposition Stabilizer, która utrzymuje wydajność stapiania na stałym poziomie, możemy dokładnie kontrolować dostarczaną moc, a tym samym wysokość i szerokość spoiny”, objaśnia DI Leonhard Reiter, Fronius R&D. 

Fronius uczestniczy w tworzeniu norm produkcji addytywnej elementów i zbiorników ciśnieniowych

Jako członek grupy roboczej do spraw produkcji addytywnej elementów zgodnie z dyrektywą o urządzeniach ciśnieniowych, kierowanej przez niemiecki instytut normalizacji (DIN), Fronius wraz z firmami MIGAL.CO, Linde Engineering i TÜV SÜD wziął udział w kwalifikacji wzoru elementu spawanego w technice addytywnej. Zweryfikowano w ten sposób możliwość zastosowania projektu normy prEN 13445-14 do elementów nieogrzewanych zbiorników ciśnieniowych. 

Poszczególnym partnerom przydzielono według ich kompetencji zadania związane z kwalifikacją materiałów, weryfikacją projektu, kwalifikacją metod, produkcją addytywną, kontrolą elementów i ciśnienia oraz kompletną dokumentacją łańcucha procesów, które zostały wykonane w ich zakładach i posłużyły do utworzenia instrukcji AMPS (Additive Manufacturing Procedure Specification). 

„W projekcie normy prEN 13445-14 oraz już opublikowanej normie DIN/TS 17026 rozpatruje się cały łańcuch tworzenia wartości, włącznie ze wszystkimi szczegółami monitorowania. Służą one dopilnowaniu, aby były spełnione wszystkie zasadnicze wymogi bezpieczeństwa zdefiniowane w dyrektywie o urządzeniach ciśnieniowych 2014/68/UE” – tak opisuje treść powstającej normy dr inż. Kati Schatz z Linde Engineering. „Uwzględniono wszystkie szczegóły. Dotyczą one zwłaszcza wymagań wobec materiałów, wymiarowania, kwalifikacji metody addytywnej, wytwarzania i weryfikacji oraz odbioru i dokumentacji. Procedura niewiele różni się od tej stosowanej podczas konwencjonalnej produkcji zbiorników ciśnieniowych. Nawet jeszcze bez tak zwanego domniemania zgodności planowanej normy zharmonizowanej i procesu zmian instrukcja ta może już służyć jako wskazówka dla wszystkich uczestników procesu produkcji addytywnej urządzeń ciśnieniowych”.

Projekt, materiał i materiał dodatkowy

Cały łańcuch procesów jest badany na podstawie zbiornika ciśnieniowego w formie odgałęzienia rurowego. Zgodnie z szablonem projektu odgałęzienie (obszar sięgający do króćca nałożony w technice addytywnej) zostało zamontowane na wyprodukowanej w tradycyjny sposób rurze głównej, w której wykonano w tym celu wycięcie. Chodzi tu zatem o element hybrydowy, ponieważ nakładany w trakcie spawania materiał będzie jedną z części zbiornika ciśnieniowego. 

„Jeśli chodzi o materiał, zdecydowaliśmy się na aluminium. W budowie instalacji technicznych stosujemy twardy z natury stop kuty aluminium ze względu na jego rewelacyjną wytrzymałość na działanie niskich temperatur, aż do minus 273°C. Spawanie tego materiału nie jest jednak łatwe. Efekt zależy w dużej mierze nie tylko od wyboru procesu i parametrów procesu, ale także materiału dodatkowego” – tłumaczy Martin Lohr, Linde Engineering.

Martin Lohr, IWE i dr inż. Kati Schatz, oboje z Linde Engineering

Istotną rolę przy drukowaniu 3D w metalu odgrywa materiał dodatkowy: obowiązują wąskie zakresy tolerancji, zarówno jeśli chodzi o średnicę, jak i skład chemiczny, który musi zawierać jak najmniej wodoru. Ponadto drut musi być wolny od wtrąceń i nawinięty w odpowiedni sposób, aby zapewnić płynną produkcję.

„Ważnym, bo wpływającym na klimat, aspektem środowiskowym jest ślad CO2 drutu spawalniczego” – podkreśla inż. Robert Lahnsteiner, prezes MIGAL.CO i dodaje – „Ślad naszego wynosi 3,8 kg CO2 na kilogram aluminium, czyli jedną czwartą średniej międzynarodowej”.

Wymiarowanie elementu i wybór procesu

Przejście między rurą główną zbiornika ciśnieniowego a króćcem musi być zoptymalizowane zarówno pod względem przepływu, jak i topologii. Wymiarowanie elementu przyniosło następujące wyniki: grubość ściany rury głównej 8 mm, grubość ściany w przejściu od rury bazowej do odgałęzienia 14 mm i grubość ściany odgałęzienia 5 mm. 

Materiał, grubość ściany i średnica zewnętrzna odgałęzienia rurowego

Wybór procesu DED (Direct Energy Deposition)

Zasadnicze wymagania wobec procesu DED (zwanego również procesem Wire Arc Additiv Manufacturing) w ramach kwalifikacji wzoru zbiornika ciśnieniowego są następujące:

• Jak najwyższa wydajność stapiania
• Mała ilość ciepła wytwarzanego w procesie, aby w jak największym stopniu uniknąć wymagania chłodzenia i zapobiec wypaczeniom  
• Połączenie z materiałem podstawowym bez wad spajania
• Brak wrażliwości na zmiany odległości między uchwytem spawalniczym a elementem
• Bezwzględna powtarzalność wymaganej wysokiej jakości materiału w ramach kwalifikowanego zakresu procesu depositingu
• Możliwość wykonywania dużych elementów

Na podstawie tych wymagań do addytywnego nakładania warstw wybrano proces CMT z wykorzystaniem MIG, a konkretnie CMT mix do pierwszych warstw i CMT Additive Pro do późniejszej budowy ścian, przy czym zastosowanie korekty mocy pozwoliło na znaczną redukcję ciepła wprowadzanego do spoiny. 

Kwalifikacja metody

Ze względu na różne grubości ściany przejścia między rurą główną a odgałęzieniem i zakres obowiązywania normy prEN 13445-14 były potrzebne trzy oddzielne kwalifikacje metody (DPQR). Wynikające z nich instrukcje DPS (Deposition Procedure Specifications) są wiążące w addytywnym procesie spawania. Ostateczna „receptura” drukowania 3D w metalu, tak zwana instrukcja AMPS (Additive Manufacturing Procedure Specification), zawiera zatem trzy instrukcje Deposition Procedure Specifications, instrukcje kolejności spawania oraz wskazówki dotyczące certyfikatów materiału i kwalifikacji wykonawcy.

„Gwarancją niezmiennej jakości elementów produkowanych techniką addytywną są oprócz instrukcji spawalniczych także świadectwa materiału i kwalifikacje wykonawcy” – tłumaczy DI Manfred Schörghuber, Fronius R&D. 

Tak, jak to przewiduje norma prEN 13445-14, poszczególne próbki są poddawane badaniom niszczącym i nieniszczącym. Jako próby nieniszczące służące wykazaniu braku wad wewnętrznych i zewnętrznych są stosowane badania wyglądu i wymiarów (VT), badania objętościowe (RT-D) i badania powierzchni. 

„Spełnienie wymagań mechaniczno-technologicznych wobec materiału wyprodukowanego w technice addytywnej oraz połączenia hybrydowego wykazujemy w badaniach składu chemicznego oraz w próbach rozciągania i gięcia, które są wykonywane prostopadle do kierunku nakładania warstw. Następnie przeprowadzamy badania metalograficzne w punktach rozpoczęcia i zakończenia oraz na połączeniu hybrydowym” – tłumaczy inż. (FH) Martin Boche, TÜV SÜD.

Symulacja nakładania warstw i kolejności spawania

Planowanie i symulacja toru robota

Tor spawania zrobotyzowanego został zaplanowany przy użyciu trójwymiarowego modelu odgałęzienia rurowego we własnym oprogramowaniu CAM (Computer-Aided Manufacturing) firmy Fronius.

„Propozycja nakładania addytywnego – czyli właściwy program spawania – została przez nas obliczona na podstawie wysokości warstwy, pozycji, prędkości i strategii nakładania. Przedmiotem wizualizacji był tor spawania w jednej z modelowanych w naszym oprogramowaniu cel spawania zrobotyzowanego”  kontynuuje DI Leonhard Reiter, Fronius R&D.

Wyznaczenie pozycji i skanowanie

Element został zeskanowany za pomocą Fronius WireSense, aby ustalić jego idealne położenie i móc je korygować w zakresie tolerancji produkcyjnych. Nowatorska technika polega na wykorzystaniu drutu elektrodowego jako czujnika dotyku i skanuje kontur spawania punkt po punkcie. Dotknięcie powierzchni końcem drutu elektrodowego wywołuje zwarcie, które wyzwala sygnał odległości przekazywany do robota spawalniczego. Jego oprogramowanie porównuje zaprogramowaną offline wartość zadaną z wartością rzeczywistą ze skanowania WireSense i w razie potrzeby koryguje tor spawania produkcji addytywnej. Następnie drut jest od razu wycofywany i, w czasie, gdy robot nadal zmienia położenie uchwytu spawalniczego, wysuwany do następnego punktu. Tam ponownie jest wywoływane zwarcie, jest generowany sygnał odległości i w razie potrzeby tor spawania jest jeszcze raz modyfikowany. W ten sposób są minimalizowane różnice geometryczne.

Produkcja elementów

Różne grubości ściany w przejściu do odgałęzienia mogą być realizowane za pomocą zmiennej wielkości amplitud ruchu oscylacyjnego. Warunkiem optymalnego przejścia spoiny między ściegami i równomiernego rozlewania spoiny był stały bilans wprowadzanego ciepła. W tym celu posłużono się zadaniami spawania o różnych parametrach w zależności od warstwy.

W trakcie procesu spawania element został wyposażony w dopływ i odpływ wody. Powstałe w ten sposób lustro wody musiało być wystarczająco oddalone od miejsca spawania, aby temperatura warstwy pośredniej utrzymywana była w dozwolonym zakresie. Umożliwiło to ciągłe spawanie bez faz studzenia. Obniżenie temperatury elementu pozwoliło na zminimalizowanie wypaczeń i zwiększenie wydajności stapiania. 

„Obserwowaliśmy nakładanie warstw za pomocą kamery uruchamianej w synchronizacji z procesem. Umożliwiło nam to później dokładniejszą analizę rozbieżności procesu” – dodaje Reiter, Fronius R&D.

Nakładanie warstw ściegów podczas addytywnego budowania odgałęzienia rurowego, laboratorium spawalnicze Fronius International, Thalheim, Austria

Monitorowanie parametrów i dokumentacja

Oprogramowanie do zarządzania danymi spawalniczymi WeldCube monitorowało zadane w AMPS (Additive Manufacturing Procedure Specification) zakresy parametrów i ostrzegało, gdy tylko ustawione limity zostały przekroczone. Suma wszystkich parametrów stanowiła „odcisk palca” struktury addytywnej i ułatwiała analizę ewentualnych nieciągłości.

Końcowe badanie elementu i podsumowanie

Końcowe badanie włącznie z potwierdzeniem zgodności CE zostało zrealizowane w jednostce notyfikowanej 0036 TÜV SÜD Industrie Service GmbH. W przedmiotowym przypadku materiału wyjściowego z danymi mechanicznymi w przyszłej zharmonizowanej normie europejskiej („zharmonizowane” wymiarowanie) i elementu klasy wymiarowej DC1 otrzymano zakres kontroli elementu opisany w następującej tabeli:

„Równolegle do tych badań wykonaliśmy opracowania metalograficzne, zwłaszcza w tych obszarach, w których stwierdzono nieprawidłowości. Dotyczyły one także obszarów przejścia między klasycznym materiałem a addytywnym nakładaniem ściegów, czyli obszarów hybrydowych. Badanie metalograficzne służy przede wszystkim do weryfikacji danych zebranych z monitorowania parametrów i badań mechaniczno-technologicznych oraz prób nieniszczących. W ich trakcie pobierane są próbki, które umożliwiają stwierdzenie, na ile materiał i użyta metoda produkcji są bez wad” – mówi Boche.

Za pomocą procedury oceny zgodności przeprowadzonej według modułu G europejskiej dyrektywy w sprawie urządzeń ciśnieniowych 2014/68/EU w formie „kwalifikacji wzoru” wyprodukowanego w technice addytywnej zbiornika ciśnieniowego z późniejszym oznaczeniem CE w celu potwierdzenia spełnienia wymagań tej dyrektywy UE grupa robocza ds. zbiorników ciśnieniowych niemieckiego instytutu normalizacji (DIN), reprezentowana przez firmy Linde Engineering, TÜV-SÜD Industrie Service GmbH, MIGAL.CO i Fronius, chce spopularyzować produkcję addytywną, zwłaszcza w budowie instalacji technicznych i zbiorników.

„Na koniec możemy zdecydowanie stwierdzić, że wieloletnie doświadczenie z metodami spawania z wykorzystaniem łuku elektrycznego – w połączeniu ze stabilnymi i nowatorskimi procesami, jak Fronius CMT Additive Pro – przemawia za szerszym zastosowaniem procesu drukowania 3D w metalu przy budowie instalacji technicznych i zbiorników. Zapewnia to przewagę nad konkurencją, zwłaszcza ze względu na związane z tym korzyści, jak optymalizacja topologii, produkcja just-in-time i uniezależnienie się od dostawców” – podsumowuje Schörghuber.

Fronius uwalnia potencjał spawania wśród klientów

Jeśli ktoś chce poznać pełną ofertę 3D, będzie miał do tego okazję od 19 do 22 listopada 2024 r. na targach Formnext we Frankfurcie nad Menem, stoisko C99, hala 12.0 oraz od 4 do 7 listopada 2024 r. na targach ADIPEC w Abu Zabi, hala 14, stoisko 14316. Eksperci Fronius serdecznie zapraszają na pokaz nowych ofert i możliwości. Wszyscy zainteresowani skorzystaniem z know-how Fronius w zakresie drukowania 3D i rozwiązywania skomplikowanych problemów spawalniczych mogą zwrócić się do specjalistów w centrum prototypowania. 

Źródło: FRONIUS