Druk 3D ma potencjał, aby zmienić oblicze przemysłu

Szczegóły: Opublikowano: czwartek, 19, styczeń 2023 07:38; Odsłony: 197

Fot. 1. Druk 3D ma potencjał, aby zmienić oblicze przemysłu

Znikają kolejne bariery technologiczne w rozwoju druku 3D. Naukowcy z Wojskowej Akademii Technicznej udowodnili, że w pewnym zakresie można „sterować” właściwościami drukowanych z metalu części. Tego typu badania są odpowiedzią na rosnące wymagania przemysłu lotniczego, energetycznego, motoryzacyjnego czy maszynowego. Wyniki opublikowali w czasopiśmie „Metallurgical and Materials Transactions A”.

Popularność druku 3D rośnie na świecie bardzo dynamicznie i ma związek z dążeniem firm do cyfryzacji produkcji. Bezpośrednim powodem podjęcia badań przez naukowców z WAT było sprawdzenie, czy da się kształtować właściwości użytkowe wytwarzanych przyrostowo (druk 3D) części i czy oprócz kształtu będzie można również zaprojektować pożądane właściwości danego elementu.

„Nazwaliśmy to procesem kształtowania właściwości użytkowych. Wydrukowane materiały mogą być mniej lub bardziej wytrzymałe, trwałe lub plastyczne w zależności od wyboru parametrów wytwarzania przyrostowego. Zaobserwowaliśmy również inny charakter procesu niszczenia poszczególnych próbek, który również zależny był od użytych parametrów wytwarzania. Innymi słowy mogliśmy spowodować, że część pękła od razu po przepracowaniu jakieś liczby cykli bez wcześniejszych oznak lub też wymusić stopniowe niszczenie” – mówi dr inż. Janusz Kluczyński z Wydziału Inżynierii Mechanicznej WAT.

Wyniki badań przestawione w artykule pozwolą na określenie jakich użyć parametrów wytwarzania, aby wyprodukowane części były bardziej podatne na cykliczne obciążenia. To jest bardzo ważne przede wszystkim wtedy, gdy chce się uniknąć nagłych, niespodziewanych pęknięć elementów, które powstają i rozwijają się podczas eksploatacji poszczególnych części.

Przemysł 4.0

Badaniom została poddana stal 316L, czyli materiał, który znajduje zastosowanie w konstrukcji kolektorów wydechowych, wymienników ciepła, części silników odrzutowych, sprzętu farmaceutycznego, części zaworów i pomp, narzędzi stosowanych w przemyśle chemicznym i wszelkich części narażonych na działanie środowiska morskiego. Wytwarzanie przyrostowe pozwala na wytwarzanie części o bardzo skomplikowanej geometrii, których nie da się wykonać metodami konwencjonalnymi. Dzięki możliwością uzyskania złożonej geometrii można np. zwiększyć wydajność silników lotniczych lub poprawić efektywność wymienników ciepła.

„Przeprowadzone przez nas badania pozwalają określić jak zachowują się wytworzone przyrostowo części w warunkach eksploatacji. Porównywaliśmy wytworzone w ten sposób próbki z materiałem referencyjnym (wytworzonym konwencjonalnie) więc mogliśmy również porównać uzyskane wyniki z typowym materiałem dostępnym na rynku w formie blach lub prętów o określonych wymiarach” – wyjaśnia naukowiec.

Główną przewagą badanej przez naukowców z WAT technologii jest możliwość uzyskiwania skomplikowanych geometrii niemożliwych do wykonania przy użyciu konwencjonalnych technik wytwarzania takich jak odlewanie, spiekanie, frezowanie i toczenie. Druk 3D pozwala również na produkcję niskoseryjną lub jednostkową, która jest znacznie bardziej opłacalna w porównaniu do wytwarzania konwencjonalnego. Dodatkowo, jak pokazują badania naukowców z WAT w pewnych granicach jest możliwe wprowadzanie zmian właściwości uzyskiwanych części. Zmieniając parametry wytwarzania można dopasować je do właściwości materiału bazowego lub oczekiwań odbiorcy.

Opracowanie nowej technologii

Badania wykazały, że próbki wytwarzane przy pomocy druku 3D w procesie wytwarzania przyrostowego charakteryzują się o 65% większą wytrzymałością całkowitą niskocyklowego zmęczenia (LCF) w porównaniu do materiału wykonanego konwencjonalnie. Uzyskane wyniki dostarczają nowej wiedzy na temat wpływu parametrów procesu na właściwości LCF. Zastosowanie wyższych wartości gęstości energii (próbki 167 J/mm3-S_30) niż domyślne wartości dla stali 316L pozwala na upodobnienie procesu pękania części wytwarzanych metodą przyrostową do konwencjonalnie wykonanych odpowiedników.

Uzyskane wyniki badań otwierają duże możliwości badawcze. Zespół kierowany przez dr. inż. Janusza Kluczyńskiego już wcześniej przeprowadził testy pod kątem aplikacyjnym balistycznie wytworzonych przyrostowo elementów oraz przeanalizował możliwość zastosowania części zamiennych wytworzonych przyrostowo w układach hydraulicznych. Wykorzystując zdobytą wiedzę, w najbliższej przyszłości zamierza zająć się opracowaniem nowej technologii wytwarzania kół zębatych.

„W swojej pracy chciałbym skupić się teraz na badaniach związanych z aplikacyjnością wytwarzania przyrostowego z metali. Ponieważ mój projekt otrzymał finansowanie Narodowego Centrum Badań i Rozwoju w ramach projektu LIDER będziemy mogli podjąć prace w Instytucie Robotów i Konstrukcji Maszyn Wydziału Inżynierii Mechanicznej (WIM) WAT nad konstrukcją koła zębatego, która łączy potencjalnie sprzeczne parametry – niską masę i wysoką wytrzymałość, przy zachowaniu stosunkowo niskich kosztów wytwarzania” – mówi dr inż. Janusz Kluczyński.

Projekt pt. „Opracowanie nowoczesnej technologii wytwarzania dwuelementowych, zoptymalizowanych topologicznie kół zębatych o zębach prostych z wykorzystaniem selektywnego laserowego stapiania proszków metali oraz innowacyjnych połączeń kształtowo-wciskowych wykonanych metodą utwardzania laserowego” jest zaplanowany na 36 miesięcy i zostanie zrealizowany w dwóch etapach. Na początku zostanie opracowana technologia wytwarzania modułowych kół zębatych. W drugim etapie podjęte zostaną próby łączenia piast i wieńców zębatych wytworzonych przyrostowo, które powstaną w oparciu o technologię stworzoną w pierwszym etapie.

Wyniki badań ukazały się w czasopiśmie „Metallurgical and Materials Transactions A” pod tytułem „The Influence of Process Parameters on the Low-Cycle Fatigue Properties of 316L Steel Parts Produced by Powder Bed Fusion”. Oprócz dr. inż. Janusza Kluczyńskiego w badaniach uczestniczyli pracownicy Instytutu Robotów i Konstrukcji Maszyn WAT: prof. dr hab. inż. Lucjan Śnieżek, dr inż. Krzysztof Grzelak, dr inż. Janusz Torzewski, dr inż. Ireneusz Szachogluchowicz i dr inż. Marcin Wachowski.

Artykuł otrzymał 200 punktów, wskaźnik cytowań dla czasopisma (IF) to 2.726.

Marcin Wrzos
fot. Janusz Kluczyński
źródło: wojsko-polskie.pl