Wydrukujmy sobie most! Druk 3D materiałów metalicznych daje coraz większe możliwości

Szczegóły: Opublikowano: piątek, 25, listopad 2022 08:18; Odsłony: 285

Wzrost zawartości niklu w strukturach wytwarzanych metodą Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM) zmniejsza ilość szkodliwego ferrytu delta oraz wpływa pozytywnie na właściwości mechaniczne stali martenzytycznych. Takie wnioski płyną z badań, nad którymi pracowała m.in. dr inż. Marta Orłowska z Wojskowej Akademii Technicznej. Uczestniczyła ona w pracach zespołu, który powstał na Uniwersytecie Technicznym w Graz.

Dzięki malejącym kosztom druku 3D oraz poprawie jego dokładności i jakości technika znana od lat osiemdziesiątych ostatnio znów znalazła się w centrum uwagi. Wytwarzanie przyrostowe (ang. additive manufacturing, AM) stało się przyszłościową technologią, która oferuje nowe możliwości produkcyjne. Może ono uzupełnić dobrze znane i bardziej konwencjonalne procesy, takie jak łączenie, odlewanie i wytwarzanie subtraktywne.

„Wytwarzanie przyrostowe to nowa technologia, która rozszerza tradycyjne i powszechnie stosowane techniki wytwarzania. Chociaż termin „produkcja addytywna” jest znany od dawna, obecnie prowadzone są w tej dziedzinie intensywne badania i obserwuje się jej ogromny rozwój” – mówi dr inż. Marta Orłowska z Wydziału Inżynierii Mechanicznej WAT.

Procedura eksperymentalna
W czasopiśmie „Materials & Design” przedstawiono wyniki badań dotyczących wytwarzania i doboru składu chemicznego chromowych stali martenzytycznych przeznaczonych do pracy na gorąco. Do przygotowania materiału naukowcy zastosowali podejście polegające na użyciu drutów z rdzeniem metalicznym (ang. metal cored wires) do techniki wytwarzania przyrostowego w technologii WAAM. Zdecydowali się na zastosowanie drutów rdzeniowych o wypełnieniu proszkowym z różną zawartością niklu. Otrzymane wyniki badań wskazują na ich dużą przydatność do WAAM.

„Podczas badań udało nam się zoptymalizować parametry procesu poprzez zastosowanie analizy DoE, czyli Design of Experiment. Wytworzone elementy następnie scharakteryzowano pod kątem mikrostruktury i właściwości mechanicznych” – wyjaśnia dr inż. Orłowska. W efekcie naukowcy wykazali, że zmieniając skład chemiczny i zwiększając zawartość niklu w stali narzędziowej przeznaczonej do pracy na gorąco, można zmniejszyć ilość szkodliwego ferrytu delta, a także zmienić jego morfologię. Dodatek niklu spowodował zmniejszenie udziału poligonalnego ferrytu delta, a także rozdrobnienie jego mikrostruktury.

Ponadto, oprócz wydzieleń wzbogaconych w molibden, które znajdowały się na granicach ziaren, zaobserwowano również przypadkowo rozmieszczone wtrącenia niemetaliczne i tlenki. Modyfikacja mikrostruktury przez dodatek niklu wpłynęła również na właściwości mechaniczne – zaobserwowano wzrost twardości, udarności i granicy plastyczności wraz ze wzrostem zawartości niklu w strukturach wytwarzanych metodą WAAM.

Jakie korzyści?
Wytwarzanie przyrostowe polega na warstwowym nakładaniu materiału aż do uzyskania zaprojektowanej wcześniej formy. Nie inaczej wygląda to w opartym na spawaniu łukowym procesie WAAM. Metalowe elementy są budowane warstwa po warstwie przy użyciu stapianego drutu elektrodowego. Sprawdza się to szczególnie w przypadku złożonych geometrii elementu, ponieważ pozwala na niemal nieograniczoną swobodę projektowania. W sposób konwencjonalny uzyskanie niektórych bardziej skomplikowanych elementów jest praktycznie niemożliwe.

Wielką zaletą wytwarzania przyrostowego jest możliwość dostarczania w pełni spersonalizowanych rozwiązań, które całkowicie spełniają stawiane przed nimi wymagania.

„Techniki AM są już mocno zakorzenione w naszym społeczeństwie i przemyśle. Przykładem mogą być spersonalizowane implanty, zoptymalizowane narzędzia o zwiększonej trwałości, a nawet drukowane mosty, co można już zaobserwować w Amsterdamie, gdzie w zeszłym roku było otwarcie pierwszego mostu w pełni wytworzonego metodą druku 3D. Co więcej, do tej pory wykorzystano tylko ułamek potencjału technik przyrostowych” – zauważa dr inż. Marta Orłowska. Technika WAAM jest stosowana w różnych gałęziach przemysłu, m.in. do regeneracji narzędzi i indywidualnych rozwiązań w zakresie produkcji małych partii.

Co zmieniają badania?
Największy nacisk w metodach AM koncentruje się na specyficznej geometrii, ale także na właściwościach drukowanych komponentów. Są one skorelowane ze składem chemicznym i związaną z nim mikrostrukturą. W przypadku stosowania drutów jako surowca ich ograniczeniem jest głównie skład chemiczny, który jest na ogół zoptymalizowany pod kątem spawania konwencjonalnego, a opracowywanie nowych systemów – trudne technicznie i czasochłonne.

„Wyzwania pojawiały się na każdym etapie badań. Zaczynając od doboru odpowiednich systemów stopowych, produkcji drutów z rdzeniem metalowym z wstępnie zdefiniowanym wypełnieniem proszkowym o odpowiedniej jakości, poprzez wytwarzanie struktur AM, aż po ich charakterystykę i analizę uzyskanych wyników badań” – mówi dr inż. Marta Orłowska.

W badaniach, wykorzystując jako materiał wsadowy drut z rdzeniem metalowym, naukowcy zaprezentowali nowatorskie podejście do opracowywania stopów i dopasowywania składu chemicznego drukowanego materiału. Drut z rdzeniem metalowym to drut rurowy wypełniony proszkami metali. Skład chemiczny można zatem dopasować, zmieniając skład wypełnienia. W konsekwencji mikrostrukturę i związane z nią właściwości materiału można dostosować i zoptymalizować. Naukowcy po raz pierwszy zademonstrowali możliwość wykonania drutów z rdzeniem metalowym do projektowania stali narzędziowych do pracy na gorąco, a uzyskane wyniki badań wykazują ogromny potencjał aplikacyjny. Dzięki pracy dr inż. Marty Orłowskiej i zespołu z Uniwersytetu Technicznego w Graz druk 3D metali będzie jeszcze łatwiejszy, tańszy i doskonalszy.

Jest to kolejna praca, która powstała we współpracy badaczy z obu jednostek naukowych. Wcześniejsze badania dotyczyły łączenia materiałów o strukturze ultradrobnoziarnistej metodą zgrzewania tarciowego z mieszaniem materiału zgrzeiny.

Wyniki badań ukazały się w czasopiśmie „Materials & Design” w publikacji pod tytułem:
„Tailoring the alloy composition for wire arc additive manufacturing utilizing metal-cored wires in the cold metal transfer process”.
Współautorami artykułu spoza WAT są: dr inż. Florian Pixner, dr inż. Ricardo Buzolin, inż. Anto Zelić, dr inż. Florian Riedlsperger, dr inż. Fernando Warchomicka, Mathieu Decherf, inż Michael Lasnik i prof. dr inż. Norbert Enzinger.

Artykuł otrzymał 140 punktów, wskaźnik cytowań dla czasopisma (IF) to 9.417.

Marcin Wrzos
grafika: Apicha / Adobe Stock
źródło: wojsko-polskie.pl/wat

Fot. 1. Druk 3D materiałów metalicznych daje coraz większe możliwości