PL249249B1

PL249249B1 - Sposób wytwarzania elementów przestrzennych z wykorzystaniem technologii Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM)

Info

Publication number: PL249249B1
Application number: PL447289A
Authority: PL
Inventors: Aleksander Kowalski; Wojciech Burian; Marek Burdek; Joanna Kulasa
Original assignee: Politechnika Warszawska; Siec Badawcza Lukasiewicz Gornoslaski Instytut Tech; Siec Badawcza Lukasiewicz Inst Metali Niezelaznych; Wojskowa Akademia Techniczna Im Jaroslawa Dabrowskiego; Zakl Mechaniczne Tarnow Spolka Akcyjna
Priority date: 2023-12-22
Filing date: 2023-12-22
Publication date: 2026-03-16
Also published as: PL447289A1

Abstract

Sposób wytwarzania elementów przestrzennych poprzez technologię Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM) prowadzony poprzez nagrzewanie materiału charakteryzuje się tym, że podkład stalowy nagrzewa się do temperatury 120°C - 150°C. następnie materiał wsadowy stanowiący drut o średnicy 1,0 – 1,6 mm o składzie chemicznym 0,21% C, 4,01% Ni, 1,37% Cr, 0,39% Mn, 0,33% Mo, 0,25% Si, 021% V, 0,01% Al, 0,005% P, 0,005% S, resztę stanowi Fe, topi się łuku spawalniczym, przy szybkości podawania drutu 7,5 m/min, natężeniu prądu 160 A, napięciu prądu 12,4 V, przy ciągłym ruchu palnika wzdłuż zadanej trajektorii, uzyskując pierwszą warstwę, która następnie chłodzi się do temp. 120°C w temperaturze otoczenia, po czym ponownie, co najmniej jednokrotnie topi się materiał wsadowy przy szybkości podawania drutu 7,5 m/min, natężeniu prądu 160 A, napięciu prądu 12,4 V przy ciągłym ruchu palnika wzdłuż zadanej trajektorii, po czym chłodzi się uzyskaną warstwę do temp. 120°C.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania elementów przestrzennych z wykorzystaniem technologii Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM).

Technologia druku Wire Arc Additive Manufacturing staje się coraz szerzej stosowaną technologią zarówno w przemyśle, jak i w jednostkach naukowo-badawczych i uczelniach wyższych. Charakterystyczną jej cechą jest wykorzystanie procesów spawalniczych MIG/MAG do wytwarzania obiektów trójwymiarowych z materiału w postaci drutów spawalniczych o różnych średnicach. Obecnie, zakres dostępnych materiałów ogranicza się do stopów komercyjnych (stale, stopy aluminium, stopy miedzi, stopy tytanu, itp.) stosowanych dotąd w spawalnictwie do łączenia elementów, bądź napawania na nich warstwy zewnętrznej. Dla tego typu materiałów istnieją opracowane parametry procesowe WAAM, zależne od typu posiadanego urządzenia spawalniczego, zapewniające otrzymywanie obiektów o odpowiedniej jakości i własnościach użytkowych. Przykładem takiego opracowania jest publikacja P. Cegielski, A. Skublewska, P. Gawroński. M. Ostrysz, M. Dylewski, and M. Gajowniczek, „Zrobotyzowane drukowanie 3D części maszyn metodami spawalniczymi”, Przegląd Spawalnictwa, vol. 89. no. 1, 2017, aczkolwiek odnosi się ona do samego procesu, bez skonkretyzowania materiałowego. Tematyka optymalizacji parametrów procesowych jest poruszana w odniesieniu do materiałów komercyjnych: jak na przykład w publikacji: Y. Ali, P. Henckell, J. Hildebrand, J. Reimann, J.P. Bergmann. S. Barnikol-Oettler, „Wire arc additive manufacturing of hot work tool steel with CMT process”, Journal of Materials Processing Technology, vol. 269, 2019. p. 109-116.

Istotą wynalazku jest sposób wytwarzania elementów przestrzennych poprzez technologię Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM) prowadzony poprzez nagrzewanie materiału charakteryzujący się tym, że podkład stalowy nagrzewa się do temperatury 120-150°C, następnie materiał wsadowy stanowiący drut o średnicy 1.0-1.6 mm o składzie chemicznym 0.21% C, 4.01% Ni, 1.37% Cr, 0.39% Mn, 0.33% Mo, 0.25% Si, 0.21% V, 0.01% Al., 0.005% P, 0,005% S, resztę stanowi Fe, topi się w łuku spawalniczym przy szybkości podawania drutu 7.5 m/min, natężeniu prądu 160 A, napięciu prądu 12.4 V, przy ciągłym ruchu palnika wzdłuż zadanej trajektorii, uzyskując pierwszą warstwę, którą następnie chłodzi się do temp. 120°C w temperaturze otoczenia, po czym ponownie, co najmniej jednokrotnie topi się materiał wsadowy przy szybkości podawania drutu 7.5 m/min, natężeniu prądu 160 A, napięciu prądu 12.4 V przy ciągłym ruchu palnika wzdłuż zadanej trajektorii, po czym chłodzi się uzyskaną warstwę do temp. 120°C.

Sposób według wynalazku pozwala na wykorzystanie drutu w gatunku 25H2N4MA do wytwarzania wyrobów w technologii przyrostowej WAAM charakteryzujących się wysoką jakością struktury wewnętrznej, wolną od pustek i porów. Wykorzystanie technologii WAAM i materiału wsadowego wykonanego ze stali 25H2N4MA w sposób przedstawiony w wynalazku umożliwia wytarzanie elementów charakteryzujących się wysokimi własnościami mechanicznymi: Rm = 1060 MPa, Rc = 910 MPa, A50 = 25% i odpornych na dynamiczne obciążenia udarowe, którym wielokrotnie poddawane są, np. elementy broni strzeleckiej.

Wynalazek został uwidoczniony w poniższych przykładach realizacji.

Przykład 1

Sposób wytwarzania obiektów grubościowych w postaci bloczków o wymiarach 20 x 900 x 900 mm z wykorzystaniem technologii przyrostowej WAAM obejmuje następujące etapy:

1. Umieszczenie szpuli z 15 kg drutu ze stali 25H2N4MA o średnicy 1.0 mm w układzie podawania drutu drukarki 3D arc403 złożonego z rolek prostujących, prowadzących oraz przewodów umożliwiających poprowadzenie drutu do palnika spawarki zakończonej końcówką prądową.

2. Zamocowanie podkładu ze stali 304 o wymiarach 300 x 300 x 10 mm na stole roboczym umiejscowionym w obszarze roboczym drukarki.

3. Nagrzanie podkładu stalowego do temperatury 120°C (kontrola zewnętrznym urządzeniem pomiarowym) i uruchomienie układu sterowania drukarki.

4. Zajarzenie łuku i roztapianie drutu w jeziorku spawalniczym wraz z ruchem palnika zgodnie z zadaną w programie numerycznym trajektorią: palnik porusza się wzdłuż krótszego boku 20 mm, po czym następuje ruch prostopadły równy OvD, w tym przypadku 3.5 mm, następnie palnik porusza się o 20 mm w przeciwnym kierunku do poprzedniej ścieżki, przy szybkości podawania drutu 7.5 m/min, natężeniu prądu 160 A, napięciu prądu 12.4 V.

5. Po zakończeniu wydruku pierwszej warstwy obiektu następuje automatyczne podniesienie palnika o 20 mm + wartość zgodną z wysokością otrzymanej ścieżki w tym przypadku 3.0 mm - następuje chłodzenie w powietrzu wraz z automatycznym pomiarem temperatury za pomocą pirometru.

PL 249249 Β1

6. Po osiągnięciu przez wytworzoną warstwę temperatury 120°C następuje automatyczne obniżenie palnika o 20 mm w kierunku wytworzonej warstwy.

7. Powtórzenie czynności 4-6 następuje do chwili uzyskania przez obiekt zadanej ilości warstw wymaganych dla danego elementu przestrzennego. W przykładzie otrzymano obiekt o wymiarach 20 x 900 x 900 mm.

W tabeli 1 zestawiono parametry procesowe wytwarzania elementów ze stali 25H2N4MA z wykorzystaniem technologii WAAM.

Rodzaj wyrobu	Szybkość podawania drutu, m/min	Natężenie prądu, A	Napięcie prądu, V	Szybkość posuwu palnika, mm/min	Wysokość warstwy, mm	Korekta długości łuku.%	Korekta dyn/puise	OvO, mm
grubościenny	7.5	160	12.4	600	3.00	18	-5.0	3.5C

QvD (cncrleaping dislancc) - paiameir określający wielkość nakładania się na siebie przylegających ścieżek podczas druku elementów grubościcnnych

Przykład 2

Sposób wytwarzania obiektów cienkościennych w postaci cienkich ścianek o wymiarach 5 x 70 x 70 mm z wykorzystaniem technologii przyrostowej WAAM obejmuje następujące etapy:

1. Umieszczenie szpuli z 15 kg drutu ze stali 25H2N4MA o składzie chemicznym 0.21% C, 4.01% Ni, 1.37% Cr, 0.39% Mn, 0.33% Mo, 0.25% Si, 0.21% V, 0.01% Al, 0.005% P, 0.005% S, resztę stanowi Fe, o średnicy 1.0 mm w układzie podawania drutu drukarki 3D arc403 złożonego z rolek prostujących, prowadzących oraz przewodów umożliwiających poprowadzenie drutu do palnika spawarki zakończonej końcówką prądową.

4. Zajarzenie łuku i roztapianie drutu w jeziorku spawalniczym wraz z ruchem palnika zgodnie z zadaną w programie numerycznym trajektorią: palnik porusza się niebem posuwistym 70 mm, przy szybkości podawania drutu 7.5 m/min, natężeniu prądu 160 A, napięciu prądu 12.4 V, przy ciągłym ruchu palnika wzdłuż zadanej trajektorii.

5. Po zakończeniu wydruku pierwszej warstwy obiektu następuje automatyczne podniesienie palnika o 20 mm + wartość zgodną z wysokością otrzymanej ścieżki w tym przypadku 2.0 mm - następuje chłodzenie w powietrzu wraz z automatycznym pomiarem temperatury za pomocą pirometru.

7. Drukowanie obiektu (nakładanie kolejnych warstw materiału) odbywa się na podkładzie ze stali nierdzewnej w gatunku 304, w atmosferze mieszaniny gazów Ar i CO2 w proporcjach odpowiednio 97.5% i 2.5%, z tym że pierwsza warstwa nakładana jest bezpośrednio na podkładzie stalowym, natomiast każda kolejna nakładana jest na warstwie poprzedniej wytworzonej z zastosowanego materiału wsadowego w postaci drutu.

8. Powtórzenie czynności 4-7 następuje do chwili uzyskania przez obiekt zadanej ilości warstw wymaganych dla danego elementu przestrzennego. W przykładzie otrzymano obiekt o wymiarach 5 x 70 x 70 mm.

W tabeli 2 zestawiono parametry procesowe wytwarzania elementów ze stali 25H2N4MA z wykorzystaniem technologii WAAM.

Rodzaj wyrobu	Szybkość podawania drutu, m/min	Natężenie prądu, A	Napięcie prądu, V	Szybkość POSUWU palnika, mm/rnin	Wysokość warstwy, mm	Korekta długości łuku, %	Korekta dyn/pulse
cienkościenny	7.5	160	12.4	400	2.00	18	-s.o

Claims

Zastrzeżenie patentowe

1. Sposób wytwarzania elementów przestrzennych poprzez technologię Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM) prowadzony poprzez nagrzewanie materiału, znamienny tym, że podkład stalowy nagrzewa się do temperatury 120-150°C, następnie materiał wsadowy stanowiący drut o średnicy 1.0-1.6 mm o składzie chemicznym 0.21% C, 4.01% Ni, 1.37% Cr, 0.39% Mn, 0.33% Mo, 0.25% Si, 0.21% V, 0.01% Al, 0.005% P, 0.005% S, resztę stanowi Fe, topi się w łuku spawalniczym przy szybkości podawania drutu 7.5 m/min, natężeniu prądu 160 A, napięciu prądu 12.4 V, przy ciągłym ruchu palnika wzdłuż zadanej trajektorii, uzyskując pierwszą warstwę, którą następnie chłodzi się do temp. 120°C w temperaturze otoczenia, po czym ponownie, co najmniej jednokrotnie topi się materiał wsadowy przy szybkości podawania drutu 7.5 m/min, natężeniu prądu 160 A, napięciu prądu 12.4 V przy ciągłym ruchu palnika wzdłuż zadanej trajektorii, po czym chłodzi się uzyskaną warstwę do temp. 120°C.