Русская Википедия:Проволочное электронно-лучевое аддитивное производство
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
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
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
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
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
Ссылки
- ↑ 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
- ↑ Шаблон:Cite web
- ↑ Шаблон:Cite web
- ↑ Шаблон:Cite web
- ↑ Шаблон:Cite web
- ↑ Шаблон:Статья
- ↑ Шаблон:Статья
- ↑ Шаблон:Статья
- ↑ Шаблон:Cite web
- ↑ 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
- ↑ 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
- ↑ 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
- ↑ 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
- ↑ 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
- ↑ 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
.png){kind=link}