De kracht van hybride metaalproductie: Gebruik maken van 3D printen en traditionele methoden

Hybride metaalproductie integreert additieve en subtractieve processen om het ontwerp en de productie van metalen onderdelen te optimaliseren. Dit artikel beschrijft hoe het combineren van 3D printen, machinale bewerking, vormen en nog veel meer nieuwe ontwerpen mogelijk maakt in industrieën die op zoek zijn naar complexe, aangepaste metalen onderdelen met verbeterde eigenschappen.

Hybride metaalproductie: Het combineren van traditionele en technieken

Een nieuwe benadering van productie

Conventionele hybride metaalproductie verandert door de mogelijkheid dat metalen 3D afdrukken en additieve fabricage bezitten, waarbij ze het mogelijk maken om nieuwe vormen te ontwikkelen die bij fabricage niet gebruikt worden. Maar deze nieuwe technieken zijn ook beperkt in de grootte en complexiteit van de constructie, de mogelijke resolutie en de materiaaleigenschappen.

Het beste van twee werelden combineren

De voorgestelde benadering is om additieve productie te gebruiken in synergie met conventionele metaalbewerkingstechnieken. Complexe interne structuren kunnen 3D-geprinte onderdelen binnen grotere bouwvolumes. Ingewikkelde externe oppervlakken kunnen met hoge precisie bewerkt worden. Verschillende legeringen met geoptimaliseerde eigenschappen kunnen samengevoegd worden.

Deze hybride aanpak opent nieuwe mogelijkheden en verbetert de prestaties van onderdelen. Complexe assemblagestappen kunnen worden gereduceerd of geëlimineerd door integraal ontwerp. Lichtere en toch sterke onderdelen besparen op materiaalkosten en verbeteren de duurzaamheid.

De toekomst van hybride metaalproductie ligt in het effectief combineren van deze technieken op basis van de specifieke productvereisten. Zowel onderzoekers als industrieën zijn actief op zoek naar nieuwe hybride workflows om metaalproductie naar een hoger niveau te tillen.

Achtergrond en definities

Dit artikel definieert Additive Manufacturing (AM), ook bekend als 3D-printen, als technologieën waarbij driedimensionale onderdelen worden gemaakt door middel van processen waarbij lagen materiaal worden opgebouwd. In het geval van metaal-AM betekent dit het smelten van het materiaal met een krachtige laser- of elektronenstraal terwijl de metaalpoeders aan elkaar worden gehecht in een laag voor laag proces. Conventionele metaalbewerkingspraktijken omvatten mechanische bewerkingen zoals snijden, buigen en doorboren. Fabricageprocessen zoals gieten, smeden, buigen en andere karakteriseren het vormen van metaal door gieten of mechanische druk. Verbindingstechnieken zoals lassen en solderen smelten afzonderlijke metalen onderdelen samen.

Hybride metaalproductie combineert op strategische wijze deze additieve en traditionele methoden. AM wordt gebruikt voor complexe interne geometrieën of lichtgewicht rasterstructuren die met andere methoden niet haalbaar zijn. Traditionele bewerking levert de vereiste oppervlakken met hoge precisie en nauwe toleranties. Legeringen die gebruikt worden in automobieltoepassingen, zoals hoge sterkte en hoge corrosiebestendigheid, kunnen moeiteloos gecombineerd worden. Deze integratie van benaderingen benut het beste van elke methode en overwint de effecten ervan, waardoor functionele, hoogwaardige, rendabele producten ontstaan voor gebruik in ruimtevaart, elektronica, medischen andere industrieën.

Motivatie voor hybride productie

Er zijn verschillende belangrijke redenen om Hybride metaalproductietechnieken te gebruiken:

• Het maakt de productie mogelijk van onderdelen en componenten met complexe geometrieën die alleen met traditionele methoden niet mogelijk zijn.
• Interne kenmerken kunnen met additieve technieken worden geoptimaliseerd voor sterkte, lichtgewicht of functionele vereisten.
• Precisie en nauwere toleranties voor buitenoppervlakken en bewegende delen vereisen traditionele bewerkingsmogelijkheden.
• Verschillende metalen materialen die geoptimaliseerd zijn voor verschillende toepassingen, zoals legeringen met een hoge sterkte of corrosiebestendigheid, kunnen worden samengevoegd.
• In het algemeen maakt het het ontwerp en de productie mogelijk van structuren met verbeterde functionaliteit tegen lagere kosten in vergelijking met traditionele methoden.
• Reikwijdte van de herziening

Dit overzicht geeft een overzicht van het huidige onderzoek en de huidige toepassingen van hybride metaalproductie. Er wordt een overzicht gegeven van enkele van de belangrijkste additieve en traditionele technieken die gecombineerd worden in innovatieve nieuwe workflows. Enkele voorbeelden van het combineren van verschillende methodologieën voor het vervaardigen van complexe metalen onderdelen voor industrieën zoals de lucht- en ruimtevaart en de biogeneeskunde zullen ook worden geanalyseerd. Beperkingen van deze visie en enkele problemen die kunnen optreden tijdens de implementatie zullen ook belicht worden.

Het doel van dit overzicht is niet alleen om de huidige stand van de techniek in de volgende generatie van hybride metaalproductie te presenteren, maar ook om de toekomstige ontwikkelingen te bespreken die mogelijk worden door de hybride methoden die in dit artikel worden besproken.

Classificatie van hybride productie

Er zijn verschillende hoofdclassificaties van hybride metaalproductie gebaseerd op de stadia die geïntegreerd zijn met traditionele technieken:

• Hybriden voor nabewerking gebruiken subtractieve methoden zoals machinale bewerking om de oppervlakteafwerking van additief gemaakte onderdelen te verbeteren.
• Bijna-netvorm hybriden zijn bedoeld om de doorlooptijd van additieve vormen te verkorten door eerst traditionele vormen te maken voordat fijne details 3D-geprint worden.
• Multimateriaal-hybriden voegen verschillende AM-gefabriceerde legeringen met verschillende eigenschappen samen.
• Hybriden met toleranties maken gebruik van de precisie van frezen of draaien om AM-preforms volgens technische tekeningen te bewerken.
• Topologiehybriden optimaliseren interne structuren door middel van AM en traditioneel verbinden van die architectuur.
• Hybride metaalproductietechnologieën

Tijdlijn ontwikkeling

Metall AM, dat zijn oorsprong vindt in 1980, heeft een lange weg afgelegd. De eerste technologieën hadden betrekking op SLS en 3D-printen van metalen met onderling verbonden polymeerbindmiddelen. De modernisering van poederbedfusie en gerichte energiedepositie werd in de jaren 2000 gecommercialiseerd. De afgelopen jaren heeft AM van hoogwaardige legeringen mogelijk gemaakt, evenals multimateriële en multimateriaal 3D printen.

Classificatie van AM-processen

Er zijn twee algemene subgroepen van Metal AM-technieken: poederbedfusie en gerichte energiedepositieprocessen. Bij poederbedfusieprocessen worden metaalpoeders aan elkaar gehecht door opeenvolgende dunne lagen metaalpoeder aan te brengen met thermische energiemiddelen zoals lasers of elektronenbundels. Nieuwe poederlagen worden afgezet en vervolgens samengesmolten. Gerichte energiedepositie richt gerichte thermische energie (laser- of elektronenbundel) op het samensmelten van materialen (poeder of draad) terwijl ze laag na laag additief worden afgezet.

Poederbedfusieprocessen

Selectief lasersmelten (SLM) en elektronenbundelsmelten (EBM) zijn de twee fundamentele benaderingen van het poederbedfusieproces. Bij SLM veegt een laser gewoon door het poederbed om een bepaald deeltje met een ander deeltje te versmelten. Bij EBM worden de metaalpoeders goed gesmolten en versmolten met behulp van een gefocuste elektronenbundel. Onderdelen kunnen op een laminaire manier worden opgebouwd uit 3D modelgegevens met een variabele hiërarchie.

Gerichte energieafzettingsprocessen

Gerichte energieafzettingsprocessen (DED) omvatten laser-engineered net shaping (LENS) en vrije-vorm fabricage met elektronenstralen. A modelleren met gesmolten afzetting Er wordt een thermische energiebron gebruikt om materialen (bijv. metaaldraad of poeder) te smelten terwijl ze worden afgezet. Het proces maakt reparaties of Hybrid metal manufacturing mogelijk door materialen op een bestaand onderdeel te deponeren. De onderdelen worden direct geconstrueerd, zonder dat er ondersteunende structuren nodig zijn.

Hybride additieve vervaardiging met meerdere thermische energiebronnen

Er is steeds meer belangstelling voor hybride AM-benaderingen die gebruikmaken van meerdere gerichte thermische energiebronnen zoals lasers en elektronenbundels. Hierdoor kunnen de voordelen van verschillende energie-materiaalinteracties worden gecombineerd.

Laserondersteunde GMA-DED / PA-DED

GMAW-DED of PAW-DED maakt gebruik van een gasmetaalboog of plasmasnijden toorts om lasmateriaal af te zetten. Een coaxiale laser zorgt voor extra plaatselijke verwarming om de afzetsnelheid en -controle te verhogen. Dit verbetert de afzetting van reactieve legeringen en maakt afzetting van ongelijksoortige materialen mogelijk.

Laserondersteunde GTA-DED

GTAW-DED maakt gebruik van een gas wolfraam booglasbrander voor materiaaldepositie. Een laser zorgt voor extra verwarming van het lasbad voor een betere geometriecontrole. Dit vergemakkelijkt het AM van moeilijk te lassen legeringen met een hoog geleidingsvermogen zoals koper.

Analyse en uitdagingen

Het gebruik van dubbele energie-inputs zorgt voor meer ontwerpflexibiliteit, maar introduceert complexiteit op het gebied van procesbesturing en -optimalisatie. Er moet rekening worden gehouden met factoren zoals energiekoppeling, volgorde en positionering. Restspanningen en vervorming door verwarming met meerdere bronnen moeten ook geanalyseerd worden. Verder werk is erop gericht om de materiaalprestaties van deze geavanceerde hybride metaalproductiemethoden volledig te karakteriseren.

Hybride additieve vervaardiging met materiaalverwijderingsprocessen

Door materiaalverwijdering te integreren in hybride metaalproductie wordt de ontwerpruimte vergroot en de kwaliteit van onderdelen verbeterd. Dit gebeurt meestal na depositie, maar kan ook tijdens het bouwen worden geïntegreerd.

Integratie tijdens productie

Een veelgebruikte aanpak bestaat uit het ruw bewerken van een substraat of basisplaat vóór AM. Dit zorgt voor de initiële geometrie van het onderdeel en de klemmende oppervlakken voor een veilige bevestiging tijdens de daaropvolgende depositie.

Als alternatief kunnen de eerste "voorvormen" van kritieke vormen additief worden gemaakt en vervolgens verder worden gevormd met subtractieve gereedschappen. Ingewikkelde koelkanalen kunnen bijvoorbeeld worden ingefreesd door metaalafzetting met een laser voordat de uiteindelijke afmetingen machinaal worden bepaald.

Sommige technologieën zoals shape deposition manufacturing (SDM) maken gebruik van frezen tussen verticale depositielagen. Dit verfijnt ruwe hellende oppervlakken en behoudt de positienauwkeurigheid voor de volgende depositie.

Er wordt ook gewerkt aan de ontwikkeling van bewerkingsmogelijkheden tijdens het proces. Een intrekbare gereedschapskop zou tijdens het bouwen ondersteunende structuren kunnen verwijderen of het depositietraject en de geometrie in real-time kunnen wijzigen.

Uitdagingen en oplossingen

Als u materiaalverwijdering integreert, loopt u het risico dat het gedeponeerde materiaal beschadigd of aangetast wordt. Lasersnijtechnologie smeermiddelen en koelmiddelen moeten zorgvuldig geselecteerd worden zodat ze niet reageren met de legeringen of deze verzwakken.

De robuustheid van het opspannen is essentieel om onderdelen nauwkeurig te lokaliseren voor nabewerking. In-procesbenaderingen vereisen strak gecoördineerde systemen met meerdere koppen. Restspanningen door plaatselijke verwarming en koeling bemoeilijken de stabiliteit van onderdelen nog meer.

Om dit te verhelpen maken veel hybride metaalproductieprocessen gebruik van contactloze bewerkingsmethoden zoals ultrasone of laserablatie om mechanische spanningen te vermijden. Real-time procesbewaking maakt ook terugkoppeling van de verschillende productiestappen mogelijk.

Metaal Hybride Additive Manufacturing met Vormprocessen

Warmtebehandelingsprocessen

Additief vervaardigde onderdelen ondergaan vaak oplossende en gloeiende warmtebehandelingen om interne spanningen te verlichten en de korrelstructuren te verfijnen. Sommige technieken voor hybride metaalproductie integreren lokale warmtebehandelingen direct in het AM-proces.

Lasergesteunde directe metaaldepositie kan bijvoorbeeld onmiddellijk materiaal in het smeltbadgebied oplossen terwijl het stolt. Dit verbetert de vloeigrens en pakt problemen zoals verbrossing aan.

HIP en koud bewerken

Heet isostatisch persen (HIP) verdicht poreuze materialen tot dichtheden die de theoretische dichtheden benaderen, waardoor de eigenschappen verbeteren. Sommige benaderingen gebruiken HIP tijdens het bouwen om selectief gebieden zoals lastdragende gebieden te verdichten met behoud van roosterstructuren.

Koudwalsen, shotpeening en andere oppervlaktebehandelingen worden ook gebruikt om voordelen van werkharding te bieden zonder vervorming door bulkverwerking te introduceren.

Integratie met bulkvormprocessen

Smeden

Smeden met open of gesloten matrijzen wordt gebruikt om additief gevormde voorvormen te consolideren en te vervormen tot netvormige of bijna netvormige onderdelen. De eerste AM-ontwerpen optimaliseren de materiaalplaatsing voor effectief vervormen zonder defecten.

Buigen en draaien

Plaatlaminering of lineaire depositietechnieken maken het mogelijk om cilindrische of conische Hybrid metal manufacturing onderdelen te vormen via latere spin- of buigbewerkingen zoals vloeien.

Integratie met plaatvormprocessen

Plaatmateriaal met ontworpen heterogeniteiten kan additief verwerkt worden en vervolgens in complexe 3D-vormen gevormd worden met conventionele stempel- of hydrovormmethoden. Gegradueerde stijfheid die bereikt wordt door additief patronen te maken, verbetert de vervormbaarheid.

Integratie met verbinden door omvormprocessen

Extrusie-gebaseerde AM maakt smeden-achtige samenvoeging en vormgeving van hybride metaalproducerende subassemblages mogelijk. Initiële profielen kunnen additief gedeponeerd worden en vervolgens continu samengevoegd en geconsolideerd worden met plaatselijke warmte en compressie. Dit produceert complexe geïntegreerde metalen frames.

Conclusie

Hybride metaalproductie is een zich snel ontwikkelend gebied dat gebruik maakt van de sterke punten van zowel additieve als traditionele metaalbewerkingstechnieken. Door verschillende processen strategisch te integreren in verschillende stadia van de productie van onderdelen, kunnen fabrikanten geometrisch complexe metalen onderdelen maken met optimale prestaties. De aangepaste ontwerpvrijheid en materiaaleigenschappen die via hybride workflows mogelijk zijn, blijven het toepassingspotentieel van gefabriceerde metaalproducten uitbreiden.

Er is echter nog verdere ontwikkeling nodig om de mogelijkheden van deze benadering volledig te realiseren. Meer onderzoek naar synchronisatie van meerdere koppen, procesbesturingsmethodologie voor gecombineerde ingangen en robuuste opspanoplossingen kunnen de kwaliteit van de werkstukken en de herhaalbaarheid van de productie verbeteren. Er kunnen ook nieuwe formuleringen van metaallegeringen en warmtebehandelingsprocedures nodig zijn om te voldoen aan de vraag naar geïntegreerde bewerkingsroutes. Er moeten normen ontwikkeld blijven worden om hybride metalen productieonderdelen voor kritieke industrieën te kwalificeren.

FAQs

V: Wat zijn enkele veel voorkomende hybride productieworkflows?

A: Gangbare benaderingen zijn onder andere hybride metaalproductie van complexe kernen en inzetstukken in combinatie met traditionele machinale bewerking van buitenoppervlakken, additieve gelaagdheid van verschillende legeringen verbonden door lassen, en het integreren van vormen, warmtebehandeling of verbinden met 3D-geprinte voorvormen.

V: Wat zijn de voordelen van hybride productie?

A: Het maakt het mogelijk om het ontwerp van onderdelen voor verschillende hybride metaalproductietechnieken te optimaliseren, de eigenschappen te verbeteren door multimateriaalintegratie, assemblagestappen te verminderen en nauwere toleranties te verkrijgen in vergelijking met uitsluitend additieve benaderingen.

V: Welke uitdagingen zijn er met hybride productie?

A: De integratie van diverse processen brengt het risico van schade of degradatie met zich mee, restspanningen van meerstapsverwarming/koeling zijn complex om aan te pakken en strak gesynchroniseerde systemen met meerdere koppen vereisen een verfijning van de procesbesturing.

V: Welke bedrijfstakken passen hybride technieken toe?

A: Belangrijke sectoren zijn onder andere luchtvaart, gezondheidszorg, auto-industrie en energie, waar de vereisten voor sterkte, complexiteit en maatwerk innovatieve metaalbewerkingsmethoden stimuleren.