Kvalifikačný test vzorky aditívne vyrobenej tlakovej nádoby
Konštrukčné diely na požiadanie a presne načas
Tradičné výrobné techniky, ako je liatie, sú často spojené so zložitou konštrukciou foriem a nástrojov. Okrem toho treba počítať s dobou potrebnou na realizáciu a nákladmi na vývoj. Ak sa podnik rozhodne pre 3D tlač kovov, môže tým značne skrátiť výrobné cykly. Aditívne výrobné procesy umožňujú nielen rýchlu výrobu vzorových konštrukčných dielov (rapid prototyping), ale aj výrobu načas. Inými slovami, pomáhajú predchádzať riskantným situáciám, keď je dodávateľ len jeden, t j závislosti od jednotlivých dodávateľov a nákladovo náročnému skladovaniu. Ak sú potrebné rôzne konštrukčné diely, v softvéri vyberiete príslušné „predlohy“ a „vytlačíte“ ich podľa potreby. Geometrie konštrukčných dielov nemajú takmer žiadne obmedzenia. Naopak, návrhy s optimalizovanou topológiou a prietokom sú charakteristické pre každodennú prevádzku aditívnej výroby, a to aj v prípade väčších konštrukčných dielov.
Zvárací proces CMT je ideálnym riešením pre 3D tlač kovov
3D tlač využíva rôzne procesy. Procesy na báze drôtu, ako je Fronius Additive, tavia zvárací drôt, a tak budujú zvarenec vrstvu po vrstve. Aby do materiálu neprúdilo príliš veľa tepla, musia byť navrhnuté tak, aby mali čo najnižšiu spotrebu energie. Zvárací proces Cold Metal Transfer (CMT) spoločnosti Fronius založený na zváraní metódou MIG sa obzvlášť hodí na 3D tlač hliníkových konštrukčných dielov. CMT je „chladný“ proces s krátkym elektrickým oblúkom, ktorý napriek vysokému výkonu odtavovania minimalizuje vnášanie tepla. Je ideálny na aditívne zváranie, pri ktorom cyklické naváranie zvarových húseníc vyvoláva vysoké vnášanie tepla.
CMT podporuje funkcie, ktoré sa dokonale hodia pre 3D tlač kovov. Typickým príkladom je „korekcia výkonu“. Umožňuje presné nastavenie elektricky privádzaného výkonu do príslušnej fázy procesu. Výkon odtavovania sa pritom nemení.
„Vďaka funkciám CMT Additive Pro vyvinutým špeciálne pre oblasť aditívnej výroby, ako je korekcia výkonu alebo Deposition Stabiliser, ktorý udržiava konštantný výkon odtavovania, môžeme cielene regulovať príkon, a teda aj výšku a šírku zvarového spoja,“ vysvetľuje DI Leonhard Reiter, Fronius R&D.
Fronius podporuje vývoj noriem pre oblasť aditívnej výroby konštrukčných dielov a tlakových zariadení
Ako člen Spoločnej pracovnej skupiny pre aditívne vyrábané konštrukčné diely podľa smernice o tlakových zariadeniach Nemeckého inštitútu pre normovanie (Deutsches Institut für Normung, DIN) sa spoločnosť Fronius v spolupráci so spoločnosťami MIGAL.CO, Linde Engineering a TÜV SÜD podieľala na kvalifikačnom teste vzorky aditívne zváraného konštrukčného dielu. Preverovala sa uplatniteľnosť návrhu normy prEN 13445-14 na komponenty nevykurovaných tlakových nádob.
Kvalifikácia materiálu, testovanie návrhu, kvalifikácia procesu, aditívna výroba, skúšky konštrukčných dielov a tlakové skúšky, ako aj kompletná dokumentácia procesného reťazca sa uskutočnili na príslušných miestach v súlade s kompetenciami zúčastnených partnerov. Následne bola vytvorená záväzná špecifikácia Additive Manufacturing Procedure Specification (AMPS).
„Návrh normy prEN 13445-14 a už zverejnená norma DIN/TS 17026 zohľadňujú celý hodnotový reťazec vrátane všetkých podrobností monitorovania. To zaručuje splnenie základných bezpečnostných požiadaviek definovaných v smernici o tlakových zariadeniach 2014/68/EÚ,“ hovorí Dr. Kati Schatz, Linde Engineering, a zároveň opisuje obsah pripravovanej normy. „Zahrnuté sú všetky podrobnosti. Ide najmä o požiadavky na materiály, dimenzovanie, kvalifikáciu aditívneho procesu, výrobu a testovanie, ako aj preberanie a dokumentáciu. Postup sa takmer vôbec nelíši od postupu pri bežne vyrábaných tlakových nádobách. Napriek tomu, že špecifikácia nemá takzvaný „predpoklad zhody“ zamýšľanej harmonizovanej normy a podlieha procesu zmien, môže slúžiť ako návod pre všetky strany zúčastňujúce sa na procese aditívnej výroby tlakových zariadení.“
Návrh, materiál a prídavný zvárací materiál
Testoval sa celý procesný reťazec s použitím tlakovej nádoby vo forme rúrovej odbočky. Podľa návrhu bola odbočka (aditívne nanesená plocha až po podperu) postavená na konvenčne vyrobenej základnej rúre s výrezom určeným práve na tento účel. Označuje sa ako hybridný konštrukčný diel, pretože materiál substrátu, na ktorom sa má zvárať, sa stáva súčasťou tlakovej nádoby.
„Čo sa týka materiálu, rozhodli sme sa pre hliník. V oblasti výroby zariadení používame prirodzene tvrdú tvárnu zliatinu, pretože má vynikajúcu odolnosť pri nízkych teplotách až do mínus 273 °C. Zváranie tohto materiálu je však náročné. O výsledku rozhoduje nielen výber procesu a jeho parametrov, ale aj výber prídavného zváracieho materiálu,“ vysvetľuje Martin Lohr, Linde Engineering.
Pri 3D tlači kovov zohráva kľúčovú úlohu prídavný zvárací materiál: Prísne tolerancie sa vzťahujú na priemer aj chemické zloženie, ktoré by malo obsahovať čo najmenšie množstvo vodíka. Okrem toho musí byť drôt bez vtrúsenín a navíjaný v správnej polohe, aby sa zabezpečila plynulá výroba.
„Uhlíková stopa zváracieho drôtu je závažným environmentálnym problémom, pretože vplýva na klímu,“ zdôrazňuje Ing. Robert Lahnsteiner, CEO spoločnosti MIGAL.CO, a dodáva: „Naša produkcia predstavuje 3,8 kg CO2 na kilogram hliníka, čo je menej ako štvrtina celosvetového priemeru.“
Dimenzovanie konštrukčných dielov a výber procesu
Prechod zo základnej rúry tlakovej nádoby na podperu by mal byť optimalizovaný z hľadiska prietoku aj topológie. Výsledkom dimenzovania boli tieto hrúbky stien: 8 mm pre základnú rúru, 14 mm pre prechod zo základnej rúry na odbočku a 5 mm pre odbočku.
| Base pipe | Transition | Branch | |
| Material | EN AW-5083 / AlMg4.5Mn | Al 5183 / AlMg4.5Mn | Al 5183 / AlMg4.5Mn |
| Wall thickness/DED thickness [mm] | 8 | 14 | 5 |
| Outer diameter [mm] | 273 | 273/168 | 168 |
Výber procesu Direct Energy Deposition (priame nanášanie
energie, DED)
Základné požiadavky na proces DED (známy aj ako proces
Wirce Arc Additive Manufacturing) pre kvalifikačný test vzorky tlakovej nádoby
boli nasledovné:
·
najvyšší možný výkon odtavovania;
·
proces so zníženou teplotou, aby sa
zabránilo potrebe chladenia a deformácii alebo aby sa minimalizovalo ich
množstvo;
·
bezchybné spojenie so základným materiálom;
·
necitlivosť na zmeny vzdialenosti medzi
jednotlivými konštrukčnými dielmi a zváracím horákom;
·
absolútna reprodukovateľnosť vysokej kvality
materiálu požadovanej v rámci kvalifikovaných limitov depozičného procesu;
·
vhodnosť pre veľké konštrukčné diely.
V závislosti od požiadaviek bol na vytvorenie
aditívneho vrstvenia zvolený proces CMT na báze MIG, konkrétne CMT mix
pre prvú vrstvu a CMT Additive Pro pre následné vytvorenie
steny, pričom použitie korekcie výkonu malo rozhodujúci vplyv na vnášanie
tepla.
Kvalifikácia procesu
„Nepretržitú kvalitu produktov aditívne vyrábaných
konštrukčných dielov zabezpečujú okrem technických predpisov pre zváranie
aj certifikáty materiálu a kvalifikácia obsluhy,“ vysvetľuje
DI Manfred Schörghuber, Fronius R&D.
Ako sa uvádza v norme prEN 13445-14, jednotlivé skúšobné
vzorky sa testovali nedeštruktívnym a deštruktívnym spôsobom. Ako
nedeštruktívne skúšobné metódy sa použili vizuálne a rozmerové skúšky
(VT), objemové skúšky (RT-D) a povrchové skúšky (PT) na overenie
neprítomnosti vonkajších a vnútorných chýb.
„Splnenie
mechanicko-technologických požiadaviek na aditívne vyrábaný materiál
a hybridný spoj sme overili skúškami chemického zloženia, ako aj skúškami
ťahom a ohybom, ktoré boli vykonané kolmo na smer polohy príkazu. Nakoniec sme vykonali metalografické analýzy
v počiatočných a koncových bodoch a na hybridnom spoji,“ názorne
vysvetľuje Dipl.-Ing. (FH) Martin Boche, TÜV SÜD.
Plánovanie a simulácia dráhy robota
Plánovanie dráhy pre úlohu robotického zvárania sa
uskutočnilo pomocou trojrozmerne modelovanej rúrovej odbočky v softvéri
CAM (Computer Aided Manufacturing Software) od spoločnosti Fronius.
„Návrh
aditívnej konštrukcie, teda samotný zvárací program, sme vypočítali zadaním
výšky vrstvy, polohy, rýchlosti a stratégie konštrukcie. Zváracia dráha bola vizualizovaná
v „robotickej zváracej bunke“ modelovanej naším softvérom,“ dodáva DI
Leonhard Reiter, Fronius R&D.
Umiestnenie a dráha senzora
Konštrukčný diel bol naskenovaný pomocou systému Fronius
WireSense, aby sa dal optimálne polohovať a prispôsobiť výrobným
toleranciám. Inovatívny senzorový systém využíva drôtovú elektródu ako hmatový
senzor a sníma kontúru zvárania bod po bode. Ak sa koniec elektródy
dotkne povrchu, dôjde ku skratu, ktorý spustí diaľkový signál
a prenesie ho do zváracieho robota. Jeho softvér porovná požadovanú
hodnotu naprogramovanú offline so skutočnou hodnotou v priebehu prevádzky
systému WireSense a v prípade potreby skoriguje dráhu zvárania
pre aditívnu výrobu. Hneď potom sa drôt posunie späť – a zatiaľ čo
robot pokračuje v pohybe zváracím horákom – znova sa posunie vpred
k ďalšiemu bodu. Spustí sa nový skrat, vygeneruje sa diaľkový signál
a v prípade potreby sa opäť upraví zváracia dráha. Minimalizujú sa
tak geometrické odchýlky.
Výroba konštrukčných dielov
Rôzne hrúbky stien by sa pri prechode do odbočky
mohli realizovať pomocou rôznych amplitúd oscilačnej jednotky.
Na dosiahnutie potrebného optimálneho prechodu zvaru z húsenice
do húsenice a rovnomerného výtoku zvaru bola potrebná konštantná
tepelná bilancia. Na tento účel sa preto použili zváracie úlohy
pre jednotlivé vrstvy s osobitnými parametrami.
Počas zváracieho procesu bol daný konštrukčný diel vybavený
prívodom a výtokom vody. Výsledná hladina vody musela byť
v dostatočnej vzdialenosti od miesta zvárania, aby sa medzivrstvová
teplota udržala v stanovenom rozsahu. Vďaka tomu bolo možné zvárať
nepretržite bez prestávok na ochladenie. Ochladzovaním konštrukčného
dielu sa minimalizovalo jeho deformovanie a zvýšil sa výkon odtavovania.
„Vrstvovanie
sme pozorovali pomocou kamery, ktorá sa spúšťa synchronizovane s procesom.
To nám neskôr umožnilo presnejšie
analyzovať odchýlky procesu,“ dopĺňa Reiter, Fronius R&D.
Monitorovanie parametrov a dokumentácia
Softvér na správu zváracích údajov WeldCube monitoroval
limity parametrov špecifikované v špecifikácii AMPS (Additive
Manufacturing Procedure Specification) a pri prekročení nastavených
limitov vyslal varovanie. Súčet všetkých parametrov viedol k identifikácii
aditívnej konštrukcie a uľahčil analýzu možných nesúvislostí.
Záverečná skúška konštrukčných dielov a vyhliadky
Záverečnú skúšku vrátane potvrdenia zhody CE vykonal
notifikovaný orgán 0036 spoločnosti TÜV SÜD Industrie Service GmbH.
V danom prípade základného materiálu s mechanickými údajmi
v budúcej harmonizovanej európskej norme („harmonizovaný“ návrh)
a konštrukčného dielu triedy dimenzovania DC1 bol rozsah skúšky
konštrukčného dielu uvedený v tejto tabuľke:
| Type of test | Testing processes | Scope of testing |
| Non-destructive testing |
|
Per component, 100% of the relevant areas of the design (or 20% if using a suitable grid to fully cover the area) |
| Destructive testing |
|
1x in the additively manufactured area 2x in the unfavorable direction, and also in the hybrid area 2x in the unfavorable direction, and also in the hybrid area |
| Final testing | Water pressure test
Bursting test (optional) |
|
„Súbežne s týmito skúškami sme vykonali metalografické
práce, ktoré sa týkali najmä tých oblastí, kde boli zistené nepravidelnosti. Týkalo sa to aj prechodových oblastí medzi klasickým
materiálom a použitím aditívneho zvárania, teda hybridnej oblasti.
Metalografické skúšky sa používajú predovšetkým na overovanie údajov
získaných z monitorovania parametrov a mechanicko-technologických
a nedeštruktívnych skúšok. Náhodne
sa pritom odoberajú vzorky, aby sa zistilo, do akej miery sú použitý
materiál a výrobný proces bezchybné,“ vysvetľuje
Boche.
Spoločná pracovná skupina pre tlakové nádoby Nemeckého
inštitútu pre normovanie (DIN), ktorú zastupujú spoločnosti Linde
Engineering, TÜV-SÜD Industrie Service GmbH, MIGAL.CO a Fronius, by chcela
podporiť prijatie aditívnej výroby v celom rozsahu a najmä
v oblasti výroby zariadení a nádrží postupom posudzovania zhody podľa
modulu G európskej smernice o tlakových zariadeniach 2014/68/EÚ
vo forme „kvalifikáčného testu vzorky“ aditívne vyrobenej tlakovej nádoby s konečným
označením CE, aby sa potvrdil súlad s požiadavkami tejto smernice EÚ.
„Na záver môžeme jednoznačne povedať, že desaťročia
skúseností so zváraním založeným na elektrickom oblúku – v kombinácii
so stabilnými a inovatívnymi procesmi, ako je Fronius CMT Additive
Pro – svedčia v prospech zvýšeného využívania 3D tlače kovov
pri výrobe zariadení a nádob. Vznikajú tak konkurenčné
výhody, najmä pokiaľ ide o súvisiace výhody, ako je optimalizácia
topológie, výroba načas a nezávislosť od dodávateľov,“ sumarizuje
Schörghuber.
Podrobné
informácie o kvalifikačnom teste vzorky nájdete v nasledujúcom
dokumentárnom filme:
Fronius rozvíja zváračský
potenciál zákazníkov
Každý, kto má záujem presvedčiť sa
o kompletnom sortimente 3D výrobkov na vlastné oči, bude mať túto možnosť
od 19. do 22. novembra 2024 na veľtrhu Formnext
vo Frankfurte nad Mohanom, v stánku C99, hale 12.0 alebo na veľtrhu
ADIPEC v Abú Zabí, od 4. do 7. novembra 2024, v hale
14, stánku 14316. Odborníci spoločnosti Fronius sa tešia, až vám budú môcť
osobne predstaviť nové ponuky a možnosti. Každý, kto má záujem využiť
odborné znalosti spoločnosti Fronius v oblasti 3D tlače a riešenia
zložitých zváračských úloh, sa môže obrátiť na odborníkov
v prototypovom centre Fronius.
Viac o produkte Fronius Additive
Pro nájdete tu.
Informácie o prototypovom centre nájdete tu.