MPLM IG™ ПРОМЫШЛЕННЫЙ ИНЖИНИРИНГ │ АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОИЗВОДСТВА │ ТЕХНОЛОГИИ МЕТАЛЛООБРАБОТКИ

23.08.2016

Симуляция процесса прямого осаждения металла лазерным лучом


Технологии 3D печати металлических деталей методом прямого осаждения металлов лазерным лучом, не такие простые в применении как о них говорят. Если вы разработаете CAD 3D модель изделия и отправите её "на печать", есть большая доля вероятности, что вы получите не то, что хотите.
Для проектирования металлических изделий, получаемых методом прямого осаждения металла лазерным лучом, необходимо учитывать параметры металлургического процесса производя технологические расчёты и симуляцию процесса.
Прямое осаждение металла представляет собой тип аддитивного производственного процесса, где лазер используется для формирования ванны расплава в твердой металлической подложке, в который направляется поток порошка из того же металла. После того, как частицы порошка попадают в ванну расплава, и ванна застывает, образуется слой твёрдого металла толщиной 0,2-0,8 мм и шириной 1-2 мм. Расчёт геометрических характеристик слоя – это формула с большим количеством переменных, комбинация которой может изменяться для каждого типа оборудования.
Наибольшей интерес для симуляции процесса при проектировании деталей представляют следующие параметры:
  • Размер и форма ванны расплава
  • Поток металла и скорость охлаждения
  • Форма затвердевшего слоя
Симуляция металлургического процесса в иллюстрирующем видео, позволяет моделировать эти параметры.
В эксперименте подложка из сплава Inconel 718 перемещается с постоянной скоростью 10 мм/с. Лазер моделируется как источник тепловой энергии радиусом 1 мм с мощностью 1,8 кВт. Металлический порошок из того же материала, что и подложка поступает в ванну расплава из трёх сопел со скоростью 0,684 г/с. Все частицы имеют одинаковый диаметр – 40 мкм. Через каждое сопло поступают 10⁵ частиц в секунду. Таким образом, каждую секунду симулятор моделирует 3Х10⁵ частиц в секунду, что составляет три миллиона физических частиц. Начальная температура частиц составляет 480°С, то есть, они находятся в твердом состоянии до момента попадания в ванну расплава.
Моделирование производилось в течение 10 секунд, подача присадочного порошка включалась с задержкой 2 секунды для того чтобы обеспечить разогрев ванны до необходимой температуры плавления сплава.
Симуляция процесса прямого осаждения металла лазерным лучом выполнена в FLOW-3D v11.2.

Сегодня уже каждый, кто интересуется технологиями металлообработки, слышал о том, что такое аддитивное производство металлических деталей, но мало кто понимает суть металлургических процессов. Обсуждают "3D печать" металлических деталей очень часто, и не редко в этих обсуждениях звучат очень глупые утверждения даже из уст вполне серьёзных людей. Этот вид металлообработки оброс фантастическими гипотезами которые некоторые индивидуумы из числа гуманитариев воспринимают как реальные экономически целесообразные технологии, подлежащие повсеместному внедрению во всех отраслях промышленности.

Так ко мне недавно обратился популярный в Северной Европе дизайнер с желанием создать производственную компанию в концепции Industry 4.0 по изготовлению функциональных изделий из меди, приборы отопления и другие медные элементы интерьера, производимые безотходным методом (Additive Manufacturing).
Технически, воплощение его идеи вполне реально:
Разрабатывается SAAS платформа с WEB-конфигуратором на базе Autodesk Inventor ETO или SolidWorks/DriveWorks + загрузка своих 3D STL. К конфигуратору подключаем платёжную систему и программируем калькулятор стоимости. Пользователь входит на сайт, проектирует своё изделие по детерминированным параметрам или загружает 3D модель, автоматически получает стоимость своего изделия и если она его устраивает, оплачивает банковской картой и заказ запускается в производство в порядке очереди. Файл STL загружается в CAM машины LMD-p (Laser Metal Deposition with powder) - Лазерная осаждения металла с порошком. И начинается процесс производства нужной детали. Система полностью автоматическая, человек только обеспечивает работоспособность оборудования, смену подложек, выемку и очистку деталей. Технически, это осуществить несложно, но экономическая целесообразность этого мероприятия вызывает огромные сомнения. Стоимость организации такого производства – несколько миллионов евро, расходные материалы стоят огромных денег, а средняя производительность LMD-p – 10см³/час. Цена изделий будет огромная. В общем ушёл от меня хороший человек расстроенным, сбросил я его с небес на землю. Но чтобы он совсем не погрузился в депрессию, я посоветовал ему подождать год-другой развитие технологий LMD-w, поселив в его разуме оправданную надежду на светлое будущее.

LMD-w (Laser metal deposition with wire) - Лазерная осаждения металла с проволокой.
Основное отличие LMD-w от LMD-p в том, что в качестве присадочного материала используется не порошок, а проволока. Эта особенность технологии позволяет значительно сократить себестоимость металлических изделий и кардинально увеличить производительность, с 10см³/час, что соответствует при плотности материала (7,7-7,9)*10³ кг/м³ объёму производства менее 80г/час (заявленный максимум на сегодняшний день до 50см³/час), до буквально десятков килограмм/час. А это уже достаточно массивные и значительно более дешёвые металлические изделия по сравнению с LMD-p.
Основное ограничение LMD-w технологии – минимальная толщина стенки изделия – 3 мм. Но в перспективе, этот параметр наверняка удастся расширить. Если удастся снизить толщину стенки до 1 мм, то вышеизложенная организационно-техническая система сможет быть реализована и будет являться экономически целесообразным решением.

Если вам интересны аддитивные металлообрабатывающие технологии, но вы пока имеете только поверхностное представление о том, что это такое, то рекомендую начать изучение с просмотра лекции Игоря Юрьевича Смурова и прочтения коллективной публикации об аддитивных технологиях.   

Комментариев нет:

Отправить комментарий

ПРОМЫШЛЕННЫЙ ИНЖИНИРИНГ АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОИЗВОДСТВА ТЕХНОЛОГИИ МЕТАЛЛООБРАБОТКИ