Википедия

Проволочное электронно-лучевое аддитивное производство

Данная страница не проверялась участниками с соответствующими правами.

Проволочное электронно-лучевое аддитивное производство (ЭЛАП, от англ. Wire-feed electron-beam additive manufacturing, EBAM) — это метод аддитивного производства, который используется для изготовления крупногабаритных металлических деталей сложной формы. Процесс ЭЛАП основан на применении сфокусированного электронного пучка в условиях вакуума и металлического филамента (проволоки или прутка) в качестве сырьевого материала. Является аналогом метода электронно-лучевого производства изделий произвольной формы (от англ. Electron-beam freeform fabrication, EBF3), разработанного NASA.

Процесс формирования изделия методом проволочного электронно-лучевого аддитивного производства

править
 
Схема ЭЛАП

Процесс 3D-печати металлических изделий методом ЭЛАП происходит в соответствии со схемой. Электронный луч создает на металлической подложке ванну расплава, в которую подается металлический филамент. В процессе перемещения рабочего стола и/или электронно-лучевой пушки с закрепленным на ней устройством подачи проволоки по заданной траектории, расплавленный материал филамента формирует слой аддитивного изделия. В итоге материал филамента, нанесенный слой за слоем, формирует деталь заданной формы [1]. Траектория 3D-печати высчитывается программным обеспечением ЭЛАП-оборудования на основе разработанной CAD-модели. Сформированное изделие электронно-лучевого аддитивного производства имеет форму, максимально приближенную к конечной форме детали, которая впоследствии достигается за счет механической обработки.

Преимущества технологии

править

Основными преимуществами ЭЛАП являются [2]:

  • Значительно сниженные затраты на материалы (и минимальное количество отходов) по сравнению с традиционными и аддитивными порошковыми методами производства;
  • Значительно более короткие сроки изготовления прототипов, деталей и пост-продажных процедур (например, ремонт или повторное изготовление поврежденных или устаревших деталей);
  • Сокращение времени обработки до 80%;
  • Использование двух и более устройств подачи проволоки позволяет подавать сразу несколько различных металлических сплавов в одну ванну расплава для создания полиметаллических деталей.

Оборудование для проволочного ЭЛАП

править

Оборудование для ЭЛАП обладает следующими конструктивными элементами. Рабочая камера и вакуумная система, которая обеспечивает остаточное давление в вакуумной камере не выше 1х10-4 мм рт. ст. Благодаря высокому вакууму, 3D-печать изделий осуществляется в незагрязненной среде, в связи с чем в процессе электронно-лучевого аддитивного производства нет необходимости в использовании защитной атмосферы инертных газов. В рабочей камере располагаются рабочий стол, который в большинстве случаев может позиционироваться по 5 осям: помимо осей X, Y и Z используются наклонная и поворотная оси. На рабочем столе устанавливается металлическая подложка, на которой осуществляется печать. Также в вакуумной камере устанавливаются электронно-лучевая пушка и одно или несколько устройств подачи проволоки. Также существует конфигурация, когда стол имеет только наклонную и поворотную оси, а электронно-лучевая пушка с устройством подачи проволоки позиционируются по трем координатам. Управление электронно-лучевой печатью в основном осуществляется с помощью ЧПУ. С его помощью численное разделение CAD-модели на слои, преобразует ее в G-код, определяющий траекторию нанесения слоев и технологические параметры ЭЛАП-оборудования. Основным производителем ЭЛАП-оборудования в странах Северной Америки и Европы является компания Sciaky [3], которая поставляет свои установки таким корпорациям, как Boeing, Lockhead Martin и другие. На территории Российской Федерации разработки в области технологии ЭЛАП проводятся в Московском энергетическом институте [4], в Пермском национальном политехническом университете [5], а также в Институте Физики Прочности и Материаловедения СО РАН. В работах ученых Московского энергетического института была показана необходимость введения систем с обратной связью для стабилизации температуры формируемого слоя [6], а также перспектива применения пространственных разверток пучка для управления переносом металла с целью формирования слоев с заданным отношением высоты к ширине [7][8]. В Институте Физики Прочности и Материаловедения СО РАН была разработана технология мультипучкового ЭЛАП (МЭЛАП), а также разработано специализированное ЭЛАП-оборудование, которое в настоящий момент используется на Чебоксарском предприятии «Сеспель» [9], видеопрезентацию которого можно увидеть на YouTube.

Научные исследования

править

В основном научные исследования, посвященные технологии EBAM, направлены на изучение процессов кристаллизации материала в процессе локальной нестационарной металлургии, изучению физико-механических свойств аддитивно-полученных материалов, а также исследованиям процессов формирования полиметаллических материалов. Далее перечислены некоторые из важных тем исследований, имеющих как фундаментальное, так и прикладное значение:

  • Использование ЭЛАП для восстановления изделий из титановых сплавов и других материалов [10];
  • Исследование влияния технологических параметров процесса ЭЛАП, таких как тепловложение, теплоотвод и скорость кристаллизации, а также траектория печати и геометрия подачи проволоки [11], [12];
  • Формирование полиметаллических материалов, в том числе функционально-градиентных [13];
  • Влияние пост-обработки на структуру и свойства аддитивно-изготовленных изделий из различных материалов, таких как стали, титановые сплавы, алюминиевые сплавы, никелевые сплавы и другие [14], [15].

Примечания

править
  1. ↑ Fuchs, J., Schneider, C. & Enzinger, N. Wire-based additive manufacturing using an electron beam as heat source. Weld World 62, 267–275 (2018). https://doi.org/10.1007/s40194-017-0537-7
  2. ↑ Metal Additive Manufacturing with EBAM® Technology | Sciaky. Дата обращения: 15 октября 2020. Архивировано 11 ноября 2020 года.
  3. ↑ Metal 3D Printers | Metal 3D Printing Machines | Sciaky. Дата обращения: 15 октября 2020. Архивировано 26 декабря 2020 года.
  4. ↑ Разработана «умная» система управления 3D-принтером для создания металлических изделий - Газета.Ru | Новости. Газета.Ru. Дата обращения: 18 декабря 2021. Архивировано 18 декабря 2021 года.
  5. ↑ Технология ученых ПНИПУ позволит печатать трехмерные детали для самолетов и ракет. pstu.ru. Дата обращения: 18 декабря 2021. Архивировано 18 декабря 2021 года.
  6. ↑ Daria A. Gaponova, Regina V. Rodyakina, Alexander V. Gudenko, Andrey P. Sliva, Alexey V. Shcherbakov. Effect of reheating zones in additive manufacturing by means of electron beam metal wire deposition method (англ.) // CIRP Journal of Manufacturing Science and Technology. — 2020-01-01. — Vol. 28. — P. 68–75. — ISSN 1755-5817. — doi:10.1016/j.cirpj.2020.01.001.
  7. ↑ A V Gudenko, A P Sliva. Influence of electron beam oscillation parameters on the formation of details by electron beam metal wire deposition method // Journal of Physics: Conference Series. — 2018-11. — Т. 1109. — С. 012037. — ISSN 1742-6596 1742-6588, 1742-6596. — doi:10.1088/1742-6596/1109/1/012037. Архивировано 18 декабря 2021 года.
  8. ↑ Alexey Shcherbakov, Daria Gaponova, Andrey Sliva, Alexey Goncharov, Alexander Gudenko. Mathematical Model for Metal Transfer Study in Additive Manufacturing with Electron Beam Oscillation (англ.) // Crystals. — 2021-11-23. — Vol. 11, iss. 12. — P. 1441. — ISSN 2073-4352. — doi:10.3390/cryst11121441. Архивировано 18 декабря 2021 года.
  9. ↑ Новости. Дата обращения: 15 октября 2020. Архивировано 17 октября 2020 года.
  10. ↑ Wanjara, P., Watanabe, K., de Formanoir, C., Yang, Q., Bescond, C., Godet, S., … Patnaik, P. (2019). Titanium Alloy Repair with Wire-Feed Electron Beam Additive Manufacturing Technology. Advances in Materials Science and Engineering, 2019, 3979471. https://doi.org/10.1155/2019/3979471
  11. ↑ Kalashnikov, K. N., Rubtsov, V. E., Savchenko, N. L., Kalashnikova, T. A., Osipovich, K. S., Eliseev, A. A., & Chumaevskii, A. V. (2019). The effect of wire feed geometry on electron beam freeform 3D printing of complex-shaped samples from Ti-6Al-4V alloy. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 105(7–8), 3147–3156. https://doi.org/10.1007/s00170-019-04589-y
  12. ↑ Tarasov, S. Y., Filippov, A. V, Savchenko, N. L., Fortuna, S. V, Rubtsov, V. E., Kolubaev, E. A., & Psakhie, S. G. (2018). Effect of heat input on phase content, crystalline lattice parameter, and residual strain in wire-feed electron beam additive manufactured 304 stainless steel. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 99(9–12), 2353–2363. https://doi.org/10.1007/s00170-018-2643-0
  13. ↑ Osipovich, K. S., Astafurova, E. G., Chumaevskii, A. V, Kalashnikov, K. N., Astafurov, S. V, Maier, G. G., … Kolubaev, E. A. (2020). Gradient transition zone structure in “steel–copper” sample produced by double wire-feed electron beam additive manufacturing. Journal of Materials Science. https://doi.org/10.1007/s10853-020-04549-y
  14. ↑ Günther, J., Krewerth, D., Lippmann, T., Leuders, S., Tröster, T., Weidner, A., … Niendorf, T. (2017). Fatigue life of additively manufactured Ti–6Al–4V in the very high cycle fatigue regime. International Journal of Fatigue, 94, 236–245. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2016.05.018
  15. ↑ Hayes, B.J.; Martin, B.W.; Welk, B.; Kuhr, S.J.; Ales, T.K.; Brice, D.A.; Ghamarian, I.; Baker, A.H.; Haden, C. V; Harlow, D.G.; et al. Predicting tensile properties of Ti-6Al-4V produced via directed energy deposition. Acta Mater. 2017, 133, 120–133, https://doi.org/10.1016/j.actamat.2017.05.025

Ссылки

править
Источник — https://ru.wikipedia.org/wiki/Проволочное_электронно-лучевое_аддитивное_производство