Hibrit Metal Üretiminin Gücü: 3D Baskı ve Geleneksel Yöntemlerden Yararlanma

Hibrit metal üretimi, metal parça tasarımını ve üretimini optimize etmek için eklemeli ve eksiltmeli süreçleri entegre eder. Bu makalede, 3D baskı, işleme, şekillendirme ve daha fazlasının bir araya getirilmesinin, gelişmiş özelliklere sahip karmaşık, özelleştirilmiş metal bileşenler arayan sektörlerde nasıl yeni tasarımlar sağladığı ayrıntılarıyla anlatılmaktadır.

Hibrit metal üretimi: Geleneksel ve Teknikleri Birleştirmek

Üretime Yeni Bir Yaklaşım

Geleneksel Hibrit metal üretimi, metalik malzemelerin 3D baskı ve eklemeli imalat, imalatta kullanılmayan yeni şekillerin geliştirilmesine olanak sağlamaktadır. Ancak, bu yeni teknikler aynı zamanda yapının boyutu ve karmaşıklığı, mümkün olan çözünürlük ve malzeme özellikleri açısından da kısıtlıdır.

Her İki Dünyanın En İyilerini Harmanlamak

Önerilen yaklaşım, eklemeli imalatın geleneksel metal işleme teknikleriyle sinerji içinde kullanılmasıdır. Karmaşık iç yapılar 3D baskılı parçalar daha büyük yapı hacimlerinde. Karmaşık dış yüzeyler yüksek hassasiyetle işlenebilir. Optimize edilmiş özelliklere sahip farklı alaşımlar bir araya getirilebilir.

Bu hibrit yaklaşım yeni işlevlerin önünü açar ve parça performansını artırır. Entegre tasarım sayesinde karmaşık montaj adımları azaltılabilir veya ortadan kaldırılabilir. Daha hafif ancak yüksek mukavemetli bileşenler malzeme maliyetlerinden tasarruf sağlar ve sürdürülebilirliği artırır.

Hibrit metal üretiminin geleceği, bu tekniklerin belirli parça gereksinimlerine göre etkili bir şekilde harmanlanmasında yatmaktadır. Hem araştırmacılar hem de endüstriler, metal üretimini bir sonraki seviyeye taşımak için yeni hibrit iş akışlarını aktif olarak araştırıyor.

Arka Plan ve Tanımlar

Bu makale, 3D baskı olarak da bilinen Katmanlı üretimi (AM), malzeme katmanları oluşturan süreçler yoluyla üç boyutlu parçaların oluşturulmasını içeren teknolojiler olarak tanımlamaktadır. Metal AM söz konusu olduğunda bu, metal tozlarını katman katman bir işlemle birbirine bağlarken malzemenin yüksek güçlü bir lazer veya elektron ışını ile eritilmesi anlamına gelir. Geleneksel metal işleme uygulamaları kesme, bükme ve delme gibi mekanik işlemleri içerir. Döküm, dövme, bükme gibi imalat süreçleri, metalin kalıplama veya mekanik basınç yoluyla şekillendirilmesini karakterize eder. Kaynak ve lehimleme gibi birleştirme teknikleri ayrı metal parçaları bir araya getirir.

Hibrit metal üretimi, bu eklemeli ve geleneksel yöntemleri stratejik olarak birleştirir. AM, diğer yöntemlerle mümkün olmayan karmaşık iç geometriler veya hafif kafes yapılar için kullanılır. Geleneksel işleme, gereken yüksek hassasiyetli yüzeyleri ve sıkı toleransları sağlar. Yüksek mukavemet ve yüksek korozyon direnci gibi otomotiv uygulamalarında kullanılan alaşımlar zahmetsizce birleştirilebilir. Yaklaşımların bu şekilde entegrasyonu, her bir yöntemin en iyi yönlerini ortaya çıkarırken etkilerinin de üstesinden gelir ve böylece aşağıdaki alanlarda kullanılmak üzere işlevsel, yüksek performanslı, uygun maliyetli ürünler üretir havacılık ve uzay, elektroni̇k, tıbbive diğer endüstriler.

Hibrit Üretim için Motivasyon

Hibrit metal üretim tekniklerini benimsemek için birkaç temel motivasyon vardır:

• Yalnızca geleneksel yöntemlerle mümkün olmayan karmaşık geometrilere sahip parçaların ve bileşenlerin üretilmesine olanak tanır.
• İç özellikler, eklemeli teknikler aracılığıyla mukavemet, hafiflik veya işlevsel gereksinimler için optimize edilebilir.
• Dış yüzeyler ve hareketli parçalar için hassasiyet ve daha sıkı toleranslar, geleneksel işleme yetenekleri gerektirir.
• Yüksek mukavemet veya korozyon direncine sahip alaşımlar gibi çeşitli uygulamalar için optimize edilmiş farklı metalik malzemeler birleştirilebilir.
• Genel olarak, geleneksel yöntemlere kıyasla daha düşük maliyetle gelişmiş işlevselliğe sahip yapıların tasarlanmasını ve üretilmesini sağlar.
• İncelemenin Kapsamı

Bu derleme, Hibrit metal üretimine ilişkin mevcut araştırma ve uygulamalara genel bir bakış sağlayacaktır. Yenilikçi yeni iş akışlarında birleştirilen bazı temel eklemeli ve geleneksel teknikler özetlenecektir. Havacılık ve biyomedikal gibi endüstrilere yönelik karmaşık metalik parçaların üretimi için farklı metodolojilerin birleştirilmesine ilişkin bazı örnekler de analiz edilecektir. Bu vizyonun sınırlamaları ve uygulama sırasında karşılaşılabilecek bazı sorunlar da vurgulanacaktır.

Bu derlemenin amacı, sadece yeni nesil Hibrit Metal İmalatındaki mevcut durumu sunmak değil, aynı zamanda bu makalede tartışılacak olan hibrit yöntemlerin izin verebileceği gelecekteki gelişmeleri tartışmaktır.

Hibrit Üretimin Sınıflandırılması

Geleneksel tekniklerle entegre edilen aşamalara dayalı olarak Hibrit metal üretiminin birkaç ana sınıflandırması vardır:

• İşlem sonrası hibritler, eklemeli olarak üretilen parçaların yüzey kalitesini iyileştirmek için işleme gibi eksiltici yöntemler kullanır.
• Nete yakın şekilli hibritler, ince ayrıntıları 3D yazdırmadan önce ilk geleneksel şekillendirme yoluyla katkı maddesi teslim sürelerini azaltmayı amaçlamaktadır.
• Multimateryal hibritler, farklı özelliklere sahip AM ile üretilmiş farklı alaşımları birleştirir.
• Toleranslı hibritler, AM preformlarını teknik çizimlere göre işlemek için frezeleme veya tornalama hassasiyetinden yararlanır.
• Topoloji hibritleri, AM ve bu mimarinin geleneksel birleştirilmesi yoluyla iç yapıları optimize eder.
• Hibrit Metal Üretim Teknolojileri

Geliştirme zaman çizelgesi

Kökeni 1980 yılına dayanan metal AM, uzun bir yol kat etti. İlk teknolojiler şunları içeriyordu SLS ve birbirine bağlanan polimer bağlayıcılarla metallerin 3D baskısı. Toz yatağı füzyonu ve yönlendirilmiş enerji biriktirmenin modernizasyonu 2000'li yıllarda ticarileştirilmiştir. Son yıllarda, yüksek performanslı alaşımların yanı sıra çok malzemeli ve çok malzemeli 3D baskı.

AM süreçlerinin sınıflandırılması

Metal AM tekniklerinin iki genel alt grubu vardır: toz yatağı füzyonu ve yönlendirilmiş enerji biriktirme süreçleri. Toz yatağı füzyon işlemlerinde, metal tozları, lazerler veya elektron ışınları gibi termal enerji araçlarıyla art arda ince metal tozu katmanları uygulanarak birbirine bağlanır. Yeni toz katmanları biriktirilir ve ardından birbirine kaynaştırılır. Yönlendirilmiş enerji biriktirme, odaklanmış termal enerjiyi (lazer veya elektron ışını) malzemeleri (toz veya tel) katman katman biriktirildikçe kaynaştırmak için yönlendirir.

Toz yatağı füzyon prosesleri

Seçici lazer eritme (SLM) ve elektron ışını eritme (EBM), toz yatağı füzyon işleminin iki temel yaklaşımıdır. SLM'de bir lazer, belirli bir parçacığı başka bir parçacıkla kaynaştırmak için toz yatağını tarar. EBM'de ise metal tozları odaklanmış bir elektron ışını kullanılarak iyice eritilir ve kaynaştırılır. Bileşenler, 3B model verilerinin değişken hiyerarşi seviyelerinden laminer bir şekilde oluşturulabilir.

Yönlendirilmiş enerji biriktirme süreçleri

Yönlendirilmiş enerji biriktirme (DED) süreçleri arasında lazerle tasarlanmış ağ şekillendirme (LENS) ve elektron ışını serbest biçimli üretim yer alır. A erimiş biriktirme modelleme Malzemelerin (örn. metal tel veya toz) biriktirilirken kaynaştırılması için termal enerji kaynağı kullanılır. Proses, malzemelerin mevcut bir parça üzerine biriktirilmesi yoluyla onarım veya Hibrit metal üretimine olanak sağlar. Parçalar, destek yapılarına ihtiyaç duyulmadan doğrudan inşa edilir.

Çoklu termal enerji kaynakları ile hibrit eklemeli üretim

Lazerler ve elektron ışınları gibi birden fazla odaklanmış termal enerji kaynağından yararlanan hibrit AM yaklaşımlarına olan ilgi giderek artmaktadır. Bu, farklı enerji-malzeme etkileşimlerinin avantajlarını birleştirmeye olanak tanır.

Lazer destekli GMA-DED / PA-DED

GMAW-DED veya PAW-DED, bir gaz metal arkı veya plazma kesim kaynak malzemesini biriktirmek için torç. Bir koaksiyel lazer, biriktirme hızını ve kontrolünü artırmak için ek lokalize ısıtma sağlar. Bu, reaktif alaşımların biriktirilmesini iyileştirir ve benzer olmayan malzemelerin biriktirilmesini sağlar.

Lazer destekli GTA-DED

GTAW-DED, malzeme biriktirme için bir gaz tungsten ark kaynağı torcu kullanır. Bir lazer, gelişmiş geometri kontrolü için kaynak havuzuna ek ısıtma sağlar. Bu, bakır gibi yüksek iletkenliğe sahip kaynaklanması zor alaşımların AM'sini kolaylaştırır.

Analiz ve zorluklar

İkili enerji girişlerinin kullanılması daha fazla tasarım esnekliği yaratır ancak proses kontrolü ve optimizasyonu açısından karmaşıklık getirir. Enerji bağlantısı, sıralama ve konumlandırma gibi faktörler dikkate alınmalıdır. Çok kaynaklı ısıtmadan kaynaklanan artık gerilmeler ve bozulmalar da analiz gerektirir. Daha fazla çalışma, bu gelişmiş Hibrit metal üretim yaklaşımlarından malzeme performansını tam olarak karakterize etmeyi amaçlamaktadır.

Malzeme kaldırma işlemleriyle hibrit eklemeli üretim

Malzeme kaldırma işleminin hibrit metal üretimine entegre edilmesi tasarım alanını genişletir ve parça kalitesini artırır. Bu genellikle biriktirme sonrası yapılır ancak üretimin ortasına da dahil edilebilir.

Üretim sırasındaki entegrasyon

Yaygın bir yaklaşım, AM'den önce bir alt tabakanın veya taban plakasının kaba işlenmesini içerir. Bu, sonraki biriktirme sırasında güvenli sabitleme için ilk parça geometrisini ve sıkıştırma yüzeylerini oluşturur.

Alternatif olarak, kritik özelliklerin ilk "ön formları" eklemeli olarak inşa edilebilir ve ardından eksiltici araçlar kullanılarak daha fazla şekillendirilebilir. Örneğin, karmaşık soğutma kanalları, son boyutlara kadar işlenmeden önce lazer metal biriktirme ile kabaca şekillendirilebilir.

Şekil biriktirme üretimi (SDM) gibi bazı teknolojiler dikey biriktirme katmanları arasında frezeleme kullanır. Bu, pürüzlü eğimli yüzeyleri iyileştirir ve bir sonraki biriktirme için konumsal doğruluğu korur.

Çalışma ayrıca süreç içi işleme yeteneklerini geliştirmeyi amaçlamaktadır. Geri çekilebilir bir takım kafası, inşa sırasında destek yapılarını temizleyebilir veya biriktirme yörüngesini ve geometrisini gerçek zamanlı olarak değiştirebilir.

Zorluklar ve çözümler

Malzeme çıkarma işleminin entegre edilmesi, depolanmış malzemenin hasar görmesi veya bozulması riskini taşır. Lazer kesim teknolojisi Yağlayıcılar ve soğutucular, alaşımlarla reaksiyona girmeyecek veya alaşımları zayıflatmayacak şekilde dikkatle seçilmelidir.

Sabitleme sağlamlığı, parçaların işleme sonrası için hassas bir şekilde konumlandırılması açısından kritik öneme sahiptir. Proses içi yaklaşımlar, sıkı bir şekilde koordine edilmiş çok kafalı sistemler gerektirir. Lokalize ısıtma-soğutmadan kaynaklanan artık gerilmeler parça stabilitesini daha da karmaşık hale getirir.

Bunu ele almak için, birçok Hibrit metal üretim prosesi, mekanik gerilimleri önlemek için ultrasonik veya lazer ablasyon gibi temassız işleme yöntemlerini kullanır. Gerçek zamanlı süreç izleme, çeşitli üretim adımlarının geri bildirim kontrolünü de sağlar.

Şekillendirme Prosesleri ile Metal Hibrit Katmanlı İmalat

Isıl işlem süreçleri

Eklemeli olarak üretilen parçalar genellikle iç gerilimleri azaltmak ve tane yapılarını iyileştirmek için çözeltiye alma ve tavlama ısıl işlemlerine tabi tutulur. Bazı Hibrit metal üretim teknikleri, lokalize ısıl işlemleri doğrudan AM sürecine entegre eder.

Örneğin, lazer destekli doğrudan metal biriktirme, katılaşırken eriyik havuzu bölgesindeki malzemeyi hemen çözebilir. Bu, akma dayanımını artırır ve gevrekleşme gibi sorunları giderir.

HIP ve soğuk işleme

Sıcak izostatik presleme (HIP) gözenekli, depolanmış malzemeleri teorik yoğunluklarına yakın bir yoğunluğa getirerek özelliklerini geliştirir. Bazı yaklaşımlar, kafes yapılarını korurken yük taşıyan bölgeler gibi alanları seçici olarak yoğunlaştırmak için HIP'yi yapı ortasında kullanır.

Soğuk haddeleme, bilyeli çekiçleme ve diğer yüzey işlemleri de yığın işlemeden kaynaklanan bozulma olmadan iş sertleştirme faydaları sağlamak için dahil edilmiştir.

Yığın şekillendirme prosesleri ile entegrasyon

Dövme

Açık kalıp veya kapalı kalıp dövme, katkılı olarak şekillendirilmiş ön kalıpları net şekilli veya net'e yakın bileşenlere birleştirmek ve deforme etmek için kullanılır. İlk AM tasarımları, hatasız etkili şekillendirme için malzeme yerleşimini optimize eder.

Bükme ve döndürme

Tabaka laminasyonu veya doğrusal biriktirme teknikleri, akış şekillendirme gibi daha sonraki eğirme veya bükme işlemleri yoluyla silindirik veya konik Hibrit metal üretim parçalarının oluşturulmasını sağlar.

Sac şekillendirme prosesleri ile entegrasyon

Tasarlanmış heterojenliklere sahip levha malzeme katkılı olarak işlenebilir ve ardından geleneksel damgalama veya hidroform yöntemleri kullanılarak karmaşık 3D şekillere dönüştürülebilir. Katkılı desenleme yoluyla elde edilen kademeli sertlik, şekillendirme sünekliğini artırır.

Şekillendirme süreçleriyle birleştirme ile entegrasyon

Ekstrüzyon tabanlı AM, Hibrit metal üretim alt montajlarının dövme benzeri bir şekilde birleştirilmesini ve şekillendirilmesini sağlar. İlk profiller katkılı olarak biriktirilebilir, ardından lokalize ısı ve sıkıştırma kullanılarak sürekli olarak birleştirilebilir ve konsolide edilebilir. Bu sayede karmaşık entegre metal çerçeveler.

Sonuç

Hibrit metal üretimi, hem eklemeli hem de geleneksel metal işleme tekniklerinin güçlü yanlarından yararlanan ve hızla gelişen bir alandır. Üreticiler, bileşen üretiminin çeşitli aşamalarında farklı süreçleri stratejik olarak entegre ederek, optimize edilmiş performansa sahip geometrik olarak karmaşık metalik parçalar oluşturabilir. Hibrit iş akışlarıyla elde edilebilen özelleştirilmiş tasarım özgürlüğü ve malzeme özellikleri, fabrikasyon metal ürünlerin uygulama potansiyelini genişletmeye devam ediyor.

Bununla birlikte, bu yaklaşımın yeteneklerini tam olarak gerçekleştirmek için daha fazla geliştirmeye ihtiyaç vardır. Çoklu kafa senkronizasyonu, birleşik girdiler için proses kontrol metodolojisi ve sağlam fikstürleme çözümleri üzerine daha fazla araştırma yapılması parça kalitesini ve üretim tekrarlanabilirliğini artırabilir. Entegre işleme yollarının taleplerine uymak için yeni metal alaşım formülasyonları ve ısıl işlem prosedürleri de gerekebilir. Kritik endüstriler için Hibrit metal üretim parçalarını nitelemek üzere standartlar geliştirilmeye devam edilmelidir.

SSS

S: Bazı yaygın hibrit üretim iş akışları nelerdir?

C: Yaygın yaklaşımlar arasında, dış yüzeylerin geleneksel olarak işlenmesiyle eşleştirilmiş karmaşık çekirdeklerin ve kesici uçların hibrit metal üretimi, kaynakla birleştirilmiş farklı alaşımların katkılı katmanlanması ve 3D baskılı ön kalıplarla şekillendirme, ısıl işlem veya birleştirme işlemlerinin entegre edilmesi yer alır.

S: Hibrit üretimin avantajları nelerdir?

C: Çeşitli hibrit metal üretim teknikleri için parça tasarımının optimize edilmesine, çok malzemeli entegrasyon yoluyla özelliklerin iyileştirilmesine, montaj adımlarının azaltılmasına ve yalnızca eklemeli yaklaşımlara kıyasla daha sıkı toleranslar elde edilmesine olanak tanır.

S: Hibrit üretimde ne gibi zorluklar var?

C: Farklı proseslerin entegre edilmesi hasar veya bozulma riski taşır, çok aşamalı ısıtma/soğutmadan kaynaklanan artık gerilmelerin ele alınması karmaşıktır ve sıkı bir şekilde senkronize edilmiş çok kafalı sistemler proses kontrolünün iyileştirilmesini gerektirir.

S: Hangi sektörler hibrit teknikleri benimsiyor?

C: Güç, karmaşıklık ve özelleştirme gereksinimlerinin yenilikçi metal imalat yöntemlerini yönlendirdiği havacılık, sağlık, otomotiv ve enerji kilit sektörler arasında yer almaktadır.\