Технология DMDTM - прямое нанесение металла

Представительство Трумпф в России и странах СНГ
тел. (095) 234 9014 факс (095) 361 0498 www.tkzentrum.ru
Технология DMDTM - прямое нанесение металла
DMD™ - это разработанный фирмой POM новый аддитивный процесс, который должен перевести
металлообработку и изготовление оснастки в новое русло. Эта технология прямого изготовления
деталей является важнейшим шагом в технологиях металлообработки за последние десятилетия.
DMD™ позволяет получить изделия из материалов с улучшенными характеристиками за меньшее
время и с меньшими затратами, чем это позволяют традиционные технологии. Производителем и
генеральным дистрибьютером (на территории Европы) оборудования, реализующего технологию
DMD, является фирма Трумпф/ Германия.
Принцип работы
DMD сочетает в себе пять общеизвестных
технологий: лазеры, CAD, CAM, сенсоры и
порошковую
металлургию.
Управляющая
программа манипулирует форсункой и оптикой,
направляющей СО2-лазер в соответствии с
траекториями движения инструмента (САМ),
созданными по трехмерной CAD-модели. Луч
лазера фокусируется на заготовку или пре-форму
из инструментальной стали для образования зоны
расплавленного металла. Металлический порошок,
обычно инструментальная сталь (H13, P20, S7 или
SS) или чистая медь OFHC подводится из
подающего лотка с помощью инертного газа в
форсунку и тонкой струей впрыскивается в
динамическую область расплава для увеличения ее объема. Луч лазера, управляемый
компьютером, перемещается в соответствии с геометрией детали, послойно выращивает
металлическую деталь.
В ходе этого процесса расплавленный металл быстро остывает (103/сек) и отвердевает. В
результате получаются металлические детали превосходного качества, обладающие высокой
прочностью и имеющие однородную микроструктуру.
Что особенно важно, процесс DMD™ позволяет быстро изменять состав металла путем инжекции
в расплав разных типов металлических порошков. Это дает возможность создавать гибридные или
градированные металлические композиты, которых еще не было на рынке.
Благодаря этой лазерной технологии, POM может изготовить трехмерные металлические
компоненты с малыми допусками и идеальными свойствами непосредственно по данным CAD. Что
это означает? Ускорение выпуска изделий на рынок, снижение стоимости оснастки и повышение
производительности.
С точки зрения дизайна, CAD-геометрия необходима там, где материал будет добавляться к
форме. Существующая геометрия формы вычитается из конструкции новой формы. Разница
между двумя геометриями "разрезается" на слои, по которым с помощью обычных пакетов САМ
создаются траектории движения инструмента, идентичные тем, которые используются на станках с
ЧПУ. Эти "традиционные" САМ-траектории затем обрабатываются, инвертируются, к ним
добавляются команды управления лазером и системой подачи порошка в обычных G- и M-кодах
ЧПУ. Подготовленные данные передаются на установку DMD.
Некоторые особенности DMD особенно незаменимы при изготовлении промышленных форм из
инструментальной стали. Что особенно важно, эта технология создает полностью насыщенные
формы или формообразующие поверхности из инструментальной стали без какого-либо синтеза
или выжигания связующего вещества. Кроме того, точность процесса составляет ±0,005 дюйма. Но
поскольку DMD создает детали "почти точной формы", они обычно подвергаются доводке на
электроэрозионных станках для достижения точных размеров. Рабочий конверт составляет 24
дюйма по всем осям.
1
Представительство Трумпф в России и странах СНГ
тел. (095) 234 9014 факс (095) 361 0498 www.tkzentrum.ru
Охлаждение форм - другая область, в которой DMD не знает себе равных. Для создания
конформных охлаждающих каналов в каждом слое по специальной схеме "постранично" наносится
вспомогательный металл. По окончании построения формы вспомогательный металл выжигается,
оставляя канал. Также, добавляя медный порошок в отдельные участки, DMD создает
теплоотводы для направленного охлаждения (поверхности остывают в определенном
направлении) во избежание дефектов на поверхностях класса A.
Стандартных систем DMD не существует. Размер и конфигурация оборудования зависят от его
назначения. Внутри рабочей области зажимы и крепления, характерные для механообработки,
отсутствуют: они не нужны для аддитивного процесса. Лазерная головка располагается там, где
должен быть вертикальный шпиндель; она соседствует с оптическим устройством обратной связи,
содержащим CCD -камеру; именно это устройство и отличает технологию DMD от других. Это
очень важная часть оборудования, поскольку она отвечает за ход нанесения слоев. С учетом того,
что при построении объекта создаются сотни слоев, обратная связь крайне важна для получения
высокого качества. Рядом с сенсором находится труба, подающая металлический порошок в
рабочую зону.
Область применения
Формообразующие
поверхности
Ремонт
Прототипирование
Модифицированные
поверхности
Достоинства
 Сокращение цикла
 Снижение коробления деталей
 Увеличение срока службы форм
 Снижение затрат на переделку
 Исключение этапа опытной оснастки
 Снижение стоимости оснастки благодаря снижению количества
полостей формования
 Поверхности класса "А"
 Более полная окупаемость форм ($$/деталь)
 Ремонт с восстановлением цвета
 Восстановление важнейших деталей до состояния "как новая"
 Ремонт изделий из разных металлов (титан, сталь, алюминий,
медь, олово и т.д.)
 Функциональные прототипы
 Обратный инжиниринг
 Маркетинговые исследования
 Прочные металлургические связи
 Определяемая пользователем толщина покрытия
 Уникальные легированные поверхности
 Замена "впрессованных" стальных вставок в алюминиевые детали
Прототипирование
DMD - первая технология, позволившая получить
опытный образец из инструментальной стали
H13. Для сравнения рядом приведена деталь из
фотополимера SLA.
2
Представительство Трумпф в России и странах СНГ
тел. (095) 234 9014 факс (095) 361 0498 www.tkzentrum.ru
Контроль температуры формы
Форма для инжекционного литья с
конформными охлаждающими каналами.
Обычно охлаждение форм осуществляется с
помощью просверленных каналов водяного
охлаждения, барботеров и рассекателей.
Вследствие
механических
напряжений,
возникающих в процессе формования, и
ограничений, связанных с толкателями и
геометрией детали, охлаждающие каналы
трудно расположить оптимальным способом.
Как результат, сочетание теплопроводности
инструментальной стали и недостаточной
функциональности теплоотводящих каналов
приводит к недостаточному охлаждению или
слишком большим перепадам температуры на
разных участках формы. Это, в конечном итоге,
ведет к снижению срока службы формы и
ухудшению
качества
детали
вследствие
коробления и деформаций.
Технология
DMD™
позволяет
создавать
конформные
охлаждающие
каналы
и
теплоотводы с высокой проводимостью в
пределах полости формования, что позволяет
сократить длительность цикла и добиться
равномерного
распределения
температуры
формы. В результате длительность цикла
сокращается на 30% - 50% и значительно
улучшается качество деталей.
Огромное достоинство: она холодная
Формование обычно состоит из пяти шагов:
1. Закрытие формы
2. Заполнение формы
3. Отверждение
4. Охлаждение детали
5. Выталкивание детали
В этой последовательности единственным длительным этапом является охлаждение детали, на
которое уходит около 44% всего цикла. Формовщики знают, что охлаждение - непростая задача.
Многие годы им приходилось сверлить охлаждающие каналы в формах для инжекционного литья
и для литья под давлением. Не так давно появилось программное обеспечение для создания
тепловых моделей, которые позволяют конструкторам выявлять зоны тепловых напряжений, где
потом и прокладываются охлаждающие каналы.
Одно большое ограничение: эти каналы делаются прямыми, тогда как детали имеют рельефную
форму. Следовательно, возможности такого теплоотвода ограничены.
Одним из достоинств DMD является возможность создания охлаждающих каналов,
"оборачивающихся" вокруг детали, которые называются конформными. POM разработана
технология "холодных форм" ("Cool Mould"). Было обнаружено, что в то время как конформные
теплоотводящие каналы позволяют сократить время охлаждения формованной детали,
аддитивная природа DMD значительно облегчает достижение такого сокращения. Это делается
путем добавления медных теплоотводов (медь наносится и плавится в ходе процесса DMD,
который позволяет комбинировать металлические порошки
— вначале наносится
инструментальная сталь, затем линия подачи материала переключается на медь, затем снова на
инструментальную сталь) или вставкой готовых медных стержней.
Был проведен эксперимент, в результате которого формованная деталь при традиционном
охлаждении остывала 5,2 сек., при конформном охлаждении – 4,8 сек., а при комбинации
конформного охлаждения с медными теплоотводами – 4,5 сек., что на 13,5% меньше по
сравнению со временем традиционного метода. Сочетание конформного охлаждения с медными
теплоотводами позволяет, в зависимости от формы детали, добиться сокращения времени
охлаждения на 50%. Кроме того, конформные каналы плюс медь позволяют поддерживать
3
Представительство Трумпф в России и странах СНГ
тел. (095) 234 9014 факс (095) 361 0498 www.tkzentrum.ru
температурный баланс между поверхностью формы и детали, тем самым снижая вероятность
коробления детали.
Сокращение цикла формования и снижение количества покоробленных деталей означает
сокращение количества установок инжекционного литья, задействованных в производстве, что
ведет к огромным сокращениям затрат. Даже если бы формы изготавливались традиционным
способом быстрее, чем по технологи DMD, возможность создать более совершенную систему
охлаждения является ключевым преимуществом.
Ремонт форм
Вынужденный простой во время ремонта
формы
приводит
к
снижению
темпов
производства и убыткам. Замена формы
всегда связана с большими затратами.
Обычный ремонт при помощи сварки приводит,
как правило, к получению деталей с более
низким качеством. Длительность ремонта
поврежденной формы связана, в основном, с
продолжительностью термообработки форм и
объемом работ по удалению следов сварки.
Применение технологии DMD™ для ремонта
форм позволяет получить высокое качество
сварки
без
чрезмерных
простоев
производства. Ее особенностью является
количество выделяемого тепла, глубина зоны
разогрева и управляемое нанесение металла.
Этим исключается необходимость в пред- и
пост- термообработки, снижается расход
материалов и объем доводки.
DMD позволяет создавать полупостоянные
стержни.
Текущие
изменения
также
выполняются DMD.
В
результате
достигается
прочная
металлургическая связь и однородность
механических свойств формы и участка
сварного шва. В большинстве случаев
наносится металл, идентичный материалу
формы,
позволяющий
получить
мартенситовую
структуру,
идентичную
структуре формы.
4
Представительство Трумпф в России и странах СНГ
тел. (095) 234 9014 факс (095) 361 0498 www.tkzentrum.ru
Нанесение покрытий
Всем известно, что нанесение покрытий и
улучшение поверхностей с помощью таких
технологий, как плазменное напыление,
может значительно повысить устойчивость
поверхностей к износу и коррозии.
Проблема заключается только с толщиной
покрытия, которая обычно составляет от 1
до 10 мкм.
Технология DMD™ дает возможность
добиться прочных металлургических связей
между разными материалами, при толщине
покрытия в 10-100 раз больше, чем в случае
традиционных технологий CVD и PVD.
Упрочнение поверхности алюминиевых деталей
нанесением износоустойчивого сплава стали.
Композитные детали
Потребность в использовании идентичных или похожих материалов для изготовления деталей,
которые должны подвергаться вибрациям, нагреванию, износу или действию химически активных
сред, существует не одно десятилетие. Как правило, для получения комбинации физических
свойств и устойчивости к коррозии или износу, на наружные поверхности деталей наносится
покрытие или гальванопокрытие, либо поверхность модифицируется специальным образом.
Разница в физических и химических свойствах покрытия и базового материала обычно приводит к
разрушению поверхностей. В качестве примеров можно привести:
• Коэффициент теплового расширения (тепловые деформации)
• Модуль эластичности (механические деформации)
• Электрический потенциал (коррозия)
Технология DMD™ позволяет создавать детали ("Smart Parts") без проблем, связанных с разницей
в физических свойствах двух разных материалов.
Встроенные объекты
Метод
DMD
Smart
Parts
позволяет
изготавливать
детали
с
встроенными
объектами, такими как датчики или магниты.
Герметизация обеспечивает защиту объекта,
снижает вероятность его повреждения от
воздействия температуры и других природных
факторов.
5
Представительство Трумпф в России и странах СНГ
тел. (095) 234 9014 факс (095) 361 0498 www.tkzentrum.ru
DMD позволяет получить "функциональноградиентные"
детали
с
переменными
свойствами материала и с внедренными
объектами.
Alloy-Variant Advanced Materials
сплавы с изменяющимся составом
(AVAM)
-
Детали "Smart Parts" могут состоять из
"непохожих металлов", таких как медножелезный или медно-алюминиевый композит,
где один материал полностью закрывает собой
другой, обеспечивая термостойкость, защиту
от коррозии или износа поверхности детали
(например, подшипника).
На рисунке слева изображена деталь, с резким
переходом свойств на границе двух материалов
(TiB2 -> сталь 102С).
Справа - такая же деталь с постепенным
изменением
свойств
(функциональноградиентный материал TiB2 -> TiB2 + сталь 1020
-> сталь 1020).
В зависимости от области применения и
используемых материалов, область перехода
между двумя разными металлами может быть
либо
четко
выраженной,
либо
биметаллической с постепенным переходом
свойств, но может представлять собой
композит из трех металлов, содержащий
"прослойку",
совместимую
с
другими
элементами
или
сплавами.
Уникальной
особенностью
таких
деталей
является
качество и прочность металлургической связи,
обеспечивающей
выравнивание
температурных градиентов и защиту от
коррозии.
Часто возникает потребность в том, чтобы
одна и та же деталь в разных частях имела бы
разные свойства. Хорошим примером является
стальная вставка в форму для литья под
давлением.
• Низкая твердость (Rc 40) и особый состав
сплава позволяют улучшить ударостойкость и
избежать образования больших трещин.
• Средняя твердость и особый состав сплава
позволяют повысить устойчивость к эрозии в
зоне входного отверстия литника.
• Высокая твердость (Rc 50) позволяет снизить
проблемы, связанные с тепловой усталостью и
повреждением поверхности.
На практике, выбор инструментальной стали,
традиционно применяемая термообработка и
получающаяся в результате микроструктура и
твердость являются компромиссом между
конфликтующими требованиями к отдельным
участкам формы.
6
Представительство Трумпф в России и странах СНГ
тел. (095) 234 9014 факс (095) 361 0498 www.tkzentrum.ru
Формы нового поколения из гибридных сплавов
Технология
DMD
предоставляет
возможность
изготавливать формообразующие поверхности, стержни и
другие элементы форм из нескольких "гибридных"
инструментальных сталей. Состав каждого из этих сплавов
отвечает определенным требованиям к характеристикам
материала, в зависимости от назначения.
Прессформа, изготовленная по технологии DMD Steel Clad.
Основание – сплав меди с высокой теплопроводностью. Формообразующая - из инструментальной стали.
Детали для авиации
Уже
более
десятилетия
авиационная
промышленность
использует
технологии
нанесения материалов при помощи лазера для
ремонта лопаток турбин авиадвигателей,
изношенных
в
процессе
эксплуатации,
поврежденных в результате трения, до
состояния "как новые".
Технология DMD™ идеально подходит для
ремонта компонентов самолетов благодаря
небольшой
зоне
нагрева,
свойственной
данному процессу. Это позволяет избежать в
ходе восстановительных работ повреждений
материала самой детали.
DMD позволяет эффективно ремонтировать
такие дорогостоящие компоненты, как лопатки
турбин авиадвигателей.
Коммерческое
использование
лазерного
нанесения материалов для ремонта элементов
авиадвигателей демонстрирует здравомыслие
авиастроителей, их стремление использовать
наилучшие технологии для восстановления
поврежденных
деталей
до
исходного
состояния и повышения качества.
7