Grade2XL, kolejny krok w kierunku napawania przyrostowego Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM)

Besides the possibility of producing large workpieces locally with WAAM technology, multi-material printing is also an iOprócz możliwości lokalnego wytwarzania dużych detali w technologii WAAM, drukowanie różnoimiennych materiałów jest również ważną unikalną zaletą. WAAM nie jest ograniczony do jednego materiału, ale może budować elementy z wielu różnych materiałów. Daje to możliwość zbudowania dużego produktu z powłoką zewnętrzną wykonaną z droższego materiału, odpornego na korozję lub zużycie, a rdzeń z wewnętrzną warstwą produktu można wykonać stosując tańszy materiał. Aby zbadać, jak można wykorzystać tą technologię na wyższym poziomie, WAAM jest obecnie rozwijany wraz z 20 partnerami (w tym Valk Welding) z całej Europy w ramach projektu Grade2XL. Przy wsparciu finansowym ze strony UE, WAAM będzie dalej rozwijany w ciągu najbliższych 4 lat jako ekonomicznie opłacalna i zrównoważona alternatywa dla konwencjonalnych technologii.

Dla projektu Grade2XL, specjalna cela do drukowania 3D firmy Autodesk jest teraz instalowana w Valk Welding. Dzięki dwóm robotom spawalniczym współpracującym ze sobą jednym systemie, będą tam drukowane różnoimienne elementy do nowych aplikacji, takich jak np. kanały chłodzące. W systemie tym zostanie zastosowane rozwiązanie Cryo Easy firmy Air Products, które umożliwia drukowanie z większą wydajnością stapianego drutu spawalniczego, bez ryzyka przegrzania

Projekt ten otrzymał dofinansowanie z unijnego programu badań i innowacji Horyzont 2020 w ramach umowy o dotację nr 862017.

Unikalna współpraca pomiędzy RAMLAB i Valk Welding.

RAMLAB było pierwszym w Europie laboratorium terenowym, które udowodniło, że dzięki technologii WAAM może drukować odpowiedzialne elementy do zastosowań przemysłowych, takie jak m.in. certyfikowana śruba napędowa holownika Damen. Pierwsze testy, które RAMLAB przeprowadził dla Vallourec, doprowadziły do zlecenia firmie Valk Welding budowy celi do druku 3D.
Vincent Wegener, dyrektor zarządzający RAMLAB: "Nasz produkt, MaxQ, składa się z zestawu sensorów i modułu oprogramowania, które opracowaliśmy w celu zapewnienia najwyższej jakości produkowanego elementu, a tym samym uzyskania certyfikatu zgodności drukowanej części. Zaawansowane oprogramowanie monitorujące i sterujące, sprawdza parametry procesu w czasie rzeczywistym. Dodatkowo, przesyłanie plików CAD Autodesk PowerMill do programu robota spawalniczego Panasonic jest teraz wykonywany za pomocą jednego przycisku. System MaxQ jest w pełni zintegrowany z celą spawalniczą firmy Valk Welding. To właśnie w tej współpracy tkwi nasza siła i czyni nas wyjątkowymi w Europie".

Super Activ Wire

Firma Valk Welding zbudowała celę z dwoma stacjami roboczymi, jedną z nieruchomym stołem Siegmund i drugą z pięcioosiowym manipulatorem. Oba stanowiska są przystosowane do produkcji detali o wysokości do 2 m, średnicy 800 mm i wadze 500 kg.
Ponadto, wyzwaniem dla firmy Valk Welding było zwiększenie prędkości spawania bez ryzyka uszkodzenia materiału. Do tego celu wykorzystano palnik spawalniczy Panasonic z wbudowanym serwonapędem, który obsługuje również proces Super Active Wire.
W procesie Super Active Wire drut spawalniczy porusza się tam i z powrotem z dużą częstotliwością, co umożliwia stopienie większej ilości materiału przy ograniczonym wprowadzeniu ciepła.

Udowodnienie właściwej koncepcji

"Zaletą technologii WAAM jest to, że jako materiał bazowy wymagany jest jedynie standardowy drut, w przeciwieństwie do procesu obróbki, który wymaga specyficznego narzędzia. Niezależnie od technologii, czy jest to druk 3D czy tradycyjna obróbka skrawaniem, nasi klienci z branży naftowej i gazowej oczekują certyfikowanego produktu, który spełnia najwyższe standardy jakości. Naszym wyzwaniem jest przekonanie ich, że możemy dostarczyć im części, które spełnią te oczekiwania, dlatego polegamy na naszych pionierskich klientach, którzy chcą być częścią tej innowacji”.

*Rysunek 1. Proces napawania przyrostowego od pojedynczych ściegów do pełnego wydrukowanego bloku w 3D Rysunek 2. Wyniki testów rozciągania dla prefabrykatu WAAM Ti6Al4V w porównaniu z materiałem wsadowym 3Dprint AM Ti-5 w kierunkach x-y-z*

Optymalizacja parametrów procesu WAAM, która jest wykonywana przed wyprodukowaniem części, pozwala na dostosowanie właściwości materiału. W połączeniu z Super Active Wire Process (SAWP) firmy Panasonic, osiągnięto stabilny łuk spawalniczy i minimalne rozpryski. Ochrona łuku spawalniczego oraz zastosowanie dodatkowej osłony gazowej argonem (Ar) zapewniły obojętne środowisko o niskim poziomie wtrąceń.

Po optymalizacji parametrów procesu, druk został fizycznie wykonany poprzez wydrukowanie próbek do badań (rysunek 1). Faza eksperymentalna zakończyła się wytworzeniem litego bloku w celu przeprowadzenia próby rozciągania w kierunkach x-y-z. Przed przystąpieniem do badań mechanicznych, prefabrykat poddano działaniu roztworu i starzeniu.

Rysunek 2 przedstawia wyniki badań mechanicznych prefabrykatu. Typowe zachowanie anizotropowe widoczne jest w wynikach wydłużenia. Może to być spowodowane kierunkowym rozrostem ziaren wywołanym przez źródło ciepła. Ogólny wynik pokazuje, że materiał WAAM posiada porównywalne właściwości mechaniczne z materiałem 3Dprint AM Ti-5.

Po przeprowadzeniu testów mechanicznych, został wygenerowany model CAD o kształcie zbliżonym do oryginalnego komponentu. Podczas tej operacji dodano dodatkowy materiał, aby umożliwić obróbkę mechaniczną ostatecznego kształtu siatki elementu.

Rysunek 3 przedstawia otrzymany w ten sposób element. Warto zwrócić uwagę na brak przebarwień na całej części, co jest oznaką środowiska wolnego od wtrąceń. Podczas drukowania, parametry procesu były rejestrowane za pomocą naszego systemu monitorowania i kontroli MaxQ (rysunek 4) w celu dalszej analizy danych. Część została ostatecznie wysłana do ostatecznego wykończenia zgodnie z projektem net-shape. W porównaniu do uzyskania elementu z kutego kęsa, RAMLAB zaoszczędził 50% materiału, a przy dalszych ulepszeniach możliwe jest osiągnięcie 70% oszczędności.

Dzięki temu projektowi RAMLAB pokazał potencjał systemu GMAW-WAAM w drukowaniu części ze stopów Ti6Al4V. Współpracujemy z kilkoma instytucjami w celu dalszych badań nad tym tematem. Dokonaliśmy małego, ale ważnego przełomu w użyciu GMAW-WAAM, przybliżając się o krok do drukowania części Ti6Al4V dla naszych klientów.

Specjalne podziękowania dla naszych partnerów: Hittech, AirProducts, Valk Welding, Autodesk, Cavitar, Element, TWI, Voestalpine Böhler Welding oraz inicjatywy AMable.

Jeśli jesteś zainteresowany, aby dowiedzieć się więcej na temat drukowania 3D i wytwarzania części z tytanu, skontaktuj się z nami.

www.ramlab.com

Figure 3. Element po frezowaniu