Сила гибридного производства металлов: Использование 3D-печати и традиционных методов

Гибридное производство металлов объединяет аддитивные и субтрактивные процессы для оптимизации проектирования и производства металлических деталей. В этой статье подробно рассказывается о том, как сочетание 3D-печати, механической обработки, формовки и других процессов позволяет создавать новые конструкции в отраслях, где требуются сложные, индивидуальные металлические компоненты с улучшенными свойствами.

Гибридное производство металла: Сочетание традиционных и технических методов

Новый подход к производству

Традиционное гибридное производство металлов меняется благодаря возможности того, что металлические 3D-печать и аддитивное производство обладают такими возможностями, что позволяют создавать новые формы, не используемые в производстве. Однако эти новые технологии также ограничены в размерах и сложности сборки, возможном разрешении и характеристиках материала.

Сочетание лучшего из двух миров

Предлагаемый подход заключается в использовании аддитивного производства в синергии с традиционными методами металлообработки. Сложные внутренние структуры могут быть 3D-печатные детали при больших объемах сборки. Замысловатые внешние поверхности могут быть обработаны с высокой точностью. Различные сплавы с оптимизированными свойствами могут быть соединены вместе.

Этот гибридный подход открывает новые функциональные возможности и улучшает характеристики деталей. Сложные этапы сборки могут быть сокращены или исключены благодаря интегральному дизайну. Легкие, но высокопрочные компоненты экономят затраты на материалы и повышают экологичность.

Будущее гибридного производства металлов - за эффективным сочетанием этих технологий в зависимости от конкретных требований к детали. Как исследователи, так и промышленники активно изучают новые гибридные рабочие процессы, чтобы вывести производство металлов на новый уровень.

Общие сведения и определения

В этой статье дается определение аддитивного производства (АМ), иначе называемого 3D-печатью, как технологии, предполагающей создание трехмерных деталей с помощью процессов наращивания слоев материала. В случае металлического AM это означает расплавление материала мощным лазером или электронным лучом при послойном склеивании металлических порошков. Традиционные методы обработки металла включают в себя механические операции, такие как резка, сгибание и пробивка. Процессы изготовления, такие как литье, ковка, гибка и другие, характеризуют придание металлу формы путем формовки или механического давления. Такие методы соединения, как сварка и пайка, сплавляют отдельные металлические части вместе.

Гибридное производство металла стратегически сочетает эти аддитивные и традиционные методы. AM используется для создания сложных внутренних геометрий или легких решетчатых конструкций, которые невозможно реализовать с помощью других методов. Традиционная механическая обработка позволяет получить высокоточные поверхности и требуемые жесткие допуски. Сплавы, используемые в автомобильной промышленности, такие как высокая прочность и высокая коррозионная стойкость, могут быть объединены без особых усилий. Такая интеграция подходов позволяет использовать лучшее в каждом методе, преодолевая их влияние, и таким образом получать функциональные, высокопроизводительные и экономически эффективные изделия для использования в аэрокосмическая промышленность, электроника, медицинский, и других отраслях.

Мотивация для гибридного производства

Существует несколько основных мотивов для внедрения технологий гибридного производства металлов:

• Он позволяет изготавливать детали и компоненты со сложной геометрией, невозможной только с помощью традиционных методов.
• Внутренние элементы могут быть оптимизированы с учетом требований к прочности, легкости или функциональности с помощью аддитивных технологий.
• Точность и жесткие допуски для наружных поверхностей и движущихся частей требуют традиционных возможностей обработки.
• Можно соединять различные металлические материалы, оптимизированные для различных применений, например, сплавы с высокой прочностью или коррозионной стойкостью.
• В целом, это позволяет проектировать и производить конструкции с улучшенной функциональностью при меньших затратах по сравнению с традиционными методами.
• Область применения обзора

В этом обзоре представлен обзор современных исследований и применений гибридного производства металлов. В нем будут описаны некоторые ключевые аддитивные и традиционные технологии, которые объединяются в новые инновационные рабочие процессы. Также будут проанализированы некоторые примеры сочетания различных методик для изготовления сложных металлических деталей в таких отраслях, как аэрокосмическая промышленность и биомедицина. Также будут освещены ограничения этого видения и некоторые проблемы, которые могут возникнуть в процессе его реализации.

Цель данного обзора - не только представить текущее состояние дел в области гибридного производства металлов нового поколения, но и обсудить будущие разработки, которые могут быть осуществлены с помощью гибридных методов, о которых пойдет речь в этой статье.

Классификация гибридного производства

Существует несколько основных классификаций гибридного производства металла, основанных на этапах, интегрированных с традиционными технологиями:

• Гибриды постобработки используют субтрактивные методы, такие как механическая обработка, для улучшения качества поверхности аддитивно изготовленных деталей.
• Гибриды с близкой к сетке формой призваны сократить время выполнения аддитивных операций за счет первоначального традиционного формования перед 3D-печатью мелких деталей.
• Мультиматериальные гибриды соединяют различные сплавы, изготовленные методом AM, с разными свойствами.
• Гибриды с допуском используют точность фрезерования или точения для обработки AM-преформ по техническим чертежам.
• Топологические гибриды оптимизируют внутренние структуры с помощью AM и традиционного соединения этой архитектуры.
• Гибридные технологии производства металла

Сроки разработки

Зародившись в 1980 году, металлический AM прошел долгий путь. Первые технологии включали в себя SLS и 3D-печать металлов с соединительными полимерными связующими. В 2000-х годах была запущена в промышленную эксплуатацию модернизация порошкового напыления и направленного энергетического осаждения. В последние годы появилась возможность AM высокопроизводительных сплавов, а также мультиматериалов и Мультиматериальная 3D-печать.

Классификация процессов AM

Существуют две общие подгруппы технологий металлического AM: процессы сплавления порошкового слоя и процессы направленного энергетического осаждения. В процессах сплавления порошка металлические порошки соединяются вместе путем нанесения последовательных тонких слоев металлических порошков с помощью средств тепловой энергии, таких как лазеры или электронные пучки. Новые слои порошка осаждаются, а затем сплавляются вместе. При осаждении с направленной энергией сфокусированная тепловая энергия (лазер или электронный луч) направляется на сплавление материалов (порошка или проволоки), поскольку они осаждаются слой за слоем.

Процессы плавления в порошковом слое

Селективное лазерное плавление (SLM) и электронно-лучевое плавление (EBM) - это два фундаментальных подхода к процессу плавления порошкового слоя. В SLM лазер просто проходит через слой порошка, чтобы сплавить одну частицу с другой. В EBM металлические порошки хорошо расплавляются и сплавляются с помощью сфокусированного электронного луча. Компоненты могут быть сконструированы из данных 3D-модели с переменным уровнем иерархии в ламинарной манере.

Процессы направленного энергетического осаждения

Процессы направленного энергетического осаждения (DED) включают лазерное формирование сетки (LENS) и изготовление свободной формы электронным лучом. A моделирование методом наплавленного напыления Источник тепловой энергии используется для сплавления материалов (например, металлической проволоки или порошка) в процессе их осаждения. Этот процесс позволяет производить ремонт или гибридное производство металла путем нанесения материалов на существующую деталь. Детали создаются напрямую, без необходимости в опорных конструкциях.

Гибридное аддитивное производство с несколькими источниками тепловой энергии

В последнее время растет интерес к гибридным методам AM, которые используют несколько сфокусированных источников тепловой энергии, таких как лазеры и электронные пучки. Это позволяет объединить преимущества различных взаимодействий энергии и материала.

GMA-DED / PA-DED с лазерной ассистенцией

GMAW-DED или PAW-DED использует газовую металлическую дугу или Плазменная резка Горелка для нанесения сварочного материала. Коаксиальный лазер обеспечивает дополнительный локализованный нагрев для увеличения скорости осаждения и контроля. Это улучшает осаждение реактивных сплавов и позволяет осаждать разнородные материалы.

Лазерная ассистенция GTA-DED

GTAW-DED использует горелку для газовой вольфрамовой дуговой сварки для осаждения материала. Лазер обеспечивает дополнительный нагрев сварочной ванны для улучшения контроля геометрии. Это облегчает работу с АМ трудносвариваемых сплавов с высокой электропроводностью, таких как медь.

Анализ и проблемы

Использование двойных источников энергии обеспечивает большую гибкость конструкции, но усложняет контроль и оптимизацию процесса. Необходимо учитывать такие факторы, как связь энергии, последовательность и позиционирование. Остаточные напряжения и деформации, возникающие при нагреве из нескольких источников, также требуют анализа. Дальнейшая работа направлена на то, чтобы полностью охарактеризовать характеристики материала при использовании этих передовых подходов к гибридному производству металлов.

Гибридное аддитивное производство с процессами удаления материала

Интеграция удаления материала в гибридное производство металла расширяет пространство для проектирования и улучшает качество деталей. Обычно это делается после осаждения, но может быть включено и в процессе изготовления.

Интеграция в процессе производства

Распространенный подход предполагает черновую обработку подложки или базовой пластины перед AM. Это позволяет создать исходную геометрию детали и зажимные поверхности для надежного крепления во время последующего осаждения.

В качестве альтернативы, начальные "предварительные формы" критических элементов могут быть созданы аддитивным способом, а затем доработаны с помощью субтрактивных инструментов. Например, сложные каналы охлаждения могут быть изготовлены методом лазерного осаждения металла перед окончательной обработкой до окончательных размеров.

Некоторые технологии, например, производство методом осаждения форм (SDM), используют фрезерование между вертикальными слоями осаждения. Это позволяет улучшить шероховатые наклонные поверхности и сохранить точность позиционирования для следующего осаждения.

Работа также направлена на развитие возможностей обработки в процессе. Выдвижная головка инструмента может очищать опорные конструкции во время сборки или изменять траекторию осаждения и геометрию в режиме реального времени.

Проблемы и решения

Интегрированное удаление материала чревато повреждением или ухудшением качества осажденного материала. Технология лазерной резки смазочные материалы и охлаждающие жидкости должны быть тщательно подобраны, чтобы не вступать в реакцию со сплавами и не ослаблять их.

Надежность крепления очень важна для точного размещения деталей для последующей обработки. Подходы, применяемые в процессе обработки, требуют тесно скоординированных систем с несколькими головками. Остаточные напряжения от локализованного нагрева-охлаждения еще больше усложняют стабильность деталей.

Чтобы решить эту проблему, во многих процессах гибридного производства металлов используются бесконтактные методы обработки, такие как ультразвуковая или лазерная абляция, позволяющие избежать механических напряжений. Мониторинг процесса в реальном времени также позволяет контролировать различные этапы производства с помощью обратной связи.

Гибридное аддитивное производство металлов с процессами формовки

Процессы термической обработки

Аддитивно изготовленные детали часто подвергаются термической обработке растворением и отжигом для снятия внутренних напряжений и уточнения структуры зерен. Некоторые технологии гибридного производства металлов включают локальную термообработку непосредственно в процесс AM.

Например, прямое осаждение металла с помощью лазера может немедленно растворить материал в области расплава по мере его застывания. Это повышает предел текучести и решает такие проблемы, как охрупчивание.

HIP и холодная обработка

Горячее изостатическое прессование (ГИП) уплотняет пористые осажденные материалы до плотности, близкой к теоретической, улучшая их свойства. Некоторые подходы используют HIP в середине сборки для выборочного уплотнения таких участков, как несущие области, сохраняя при этом решетчатую структуру.

Холодная прокатка, дробеструйное упрочнение и другие виды обработки поверхности также включаются для придания изделию упрочняющих свойств без искажений, возникающих при объемной обработке.

Интеграция с процессами объемного формования

Ковка

Штамповка в открытом или закрытом штампе используется для консолидации и деформации аддитивно сформированных заготовок в сетчатые или близкие к сетчатым компоненты. Первоначальные конструкции AM оптимизируют размещение материала для эффективного формования без дефектов.

Сгибание и вращение

Методы ламинирования листов или линейного напыления позволяют формировать цилиндрические или конические детали для гибридного производства металлов путем последующего раскручивания или сгибания, как при формовании потока.

Интеграция с процессами формовки листов

Листовой материал с заданными неоднородностями может быть аддитивно обработан и затем сформирован в сложные 3D-формы с помощью обычных методов штамповки или гидроформовки. Градиентная жесткость, достигаемая за счет аддитивного узора, улучшает пластичность при формовании.

Интеграция с процессами соединения путем формования

Технология AM на основе экструзии позволяет соединять и формировать узлы гибридного металлического производства подобно штамповке. Первоначальные профили могут быть нанесены аддитивным способом, а затем непрерывно соединяться и консолидироваться с помощью локального нагрева и сжатия. Таким образом, получаются сложные интегрированные металлические каркасы.

Заключение

Гибридное производство металлов - это быстро развивающаяся область, которая использует сильные стороны как аддитивных, так и традиционных технологий металлообработки. Стратегически интегрируя различные процессы на разных этапах производства компонентов, производители могут создавать геометрически сложные металлические детали с оптимизированными характеристиками. Свобода проектирования и свойства материалов, достижимые благодаря гибридным технологиям, продолжают расширять возможности применения металлических изделий.

Однако для полной реализации возможностей этого подхода необходимо дальнейшее развитие. Дополнительные исследования в области синхронизации нескольких головок, методологии управления процессом для комбинированных входов и надежных креплений могут повысить качество деталей и воспроизводимость производства. Также могут потребоваться новые составы металлических сплавов и процедуры термообработки, чтобы удовлетворить потребности в маршрутах интегрированной обработки. Необходимо продолжать разрабатывать стандарты, чтобы квалифицировать детали гибридного производства металлов для критически важных отраслей промышленности.

Вопросы и ответы

В: Каковы некоторые распространенные рабочие процессы гибридного производства?

О: Распространенные подходы включают гибридное изготовление сложных стержней и вставок из металла в сочетании с традиционной механической обработкой внешних поверхностей, аддитивное наслоение различных сплавов, соединенных сваркой, а также интеграцию формования, термообработки или соединения с 3D-печатными заготовками.

В: Каковы преимущества гибридного производства?

О: Он позволяет оптимизировать дизайн деталей для различных гибридных технологий изготовления металлов, улучшить свойства за счет интеграции нескольких материалов, сократить этапы сборки и получить более жесткие допуски по сравнению с исключительно аддитивными подходами.

В: Какие проблемы существуют при гибридном производстве?

О: Интеграция различных процессов чревата риском повреждения или деградации, остаточные напряжения от многоступенчатого нагрева/охлаждения сложны для устранения, а жестко синхронизированные системы с несколькими головками требуют усовершенствования управления процессом.

В: В каких отраслях используются гибридные методы?

О: К ключевым отраслям относятся аэрокосмическая промышленность, здравоохранение, автомобилестроение и энергетика, где требования к прочности, сложности и индивидуальности определяют инновационные методы изготовления металлов.\