Innowacyjne połączenia wielometalowe otwierają nowe możliwości w dziedzinie druku 3D
Wytwarzanie addytywne (ang. additive manufacturing, AM) metali, powszechnie znane jako druk 3D, od zawsze wiązało się z jednym uporczywym wyzwaniem. Proces ten zasadniczo opiera się na wykorzystaniu jednego materiału od początku do końca. Chociaż jednolite materiały sprawdzają się dobrze w przypadku produkcji nieskomplikowanych części, często nie spełniają złożonych wymagań, takich jak ekstremalna odporność na wysoką temperaturę, elastyczność i wytrzymałość w jednym elemencie. Wiele stopów o wysokiej wydajności jest podatnych na pękanie podczas drukowania z powodu naprężeń termicznych wywołanych przez ten proces. Problem ten pogłębia się, gdy w ramach AM łączy się w jednym elemencie dwa lub więcej materiałów. W rezultacie opracowywanie rozwiązań dla wielomateriałowego druku 3D odbywało się dotąd drogą kosztownych prób i błędów. Brakowało narzędzi projektowych, norm kwalifikacyjnych oraz metod recyklingu mieszanych proszków metalowych. Potrzeba ta była szczególnie wyraźna w branżach motoryzacyjnej, lotniczej i energetycznej, gdzie wymagania dotyczące lekkości, wydajności i efektywności szybko rosły, podczas gdy rozwiązania technologii wytwarzania addytywnego elementów z jednego materiału pozostawały w tyle.
Postępy w dziedzinie wytwarzania addytywnego z wykorzystaniem wielu materiałów
Zespół finansowanego przez UE projektu MADE-3D(odnośnik otworzy się w nowym oknie) zajął się tą kwestią, opracowując wydajne, zrównoważone i elastyczne procesy produkcyjne, które zaspokajają rosnące zapotrzebowanie na złożone elementy o określonych właściwościach. Badacze stworzyli zestaw nowatorskich połączeń wielomateriałowych, które zostały następnie przetestowane i sprawdzone w rzeczywistych warunkach przemysłowych. Zamiast polegać na metodzie prób i błędów, połączenia te są tworzone przy użyciu zaawansowanego modelowania obliczeniowego i uczenia maszynowego. Zespołowi projektu MADE-3D jako pierwszemu na świecie udało się wydrukować w 3D połączenia niklowo-tytanowe, stanowiące lekkie rozwiązanie dla dysz rakietowych, wytrzymujące ekstremalne temperatury przy zachowaniu wytrzymałości konstrukcyjnej. Badaczom udało się połączyć Inconel 718 i Ti6Al4V – dwa zaawansowane technologicznie metale stosowane w lotnictwie – unikając przy tym wad. Kombinacja materiałów została pomyślnie przetestowana i zweryfikowana przy użyciu pełnowymiarowych, rzeczywistych elementów. „Ta para materiałów należy do najbardziej podatnych na pękanie w druku 3D, a uzyskany wynik uznaje się za nowość naukową”, komentuje koordynator projektu Dennis Lehnert, pracownik naukowy Uniwersytetu w Paderborn w Niemczech. „Udało nam się osiągnąć redukcję masy o około 40% w porównaniu z dyszą wykonaną z jednego materiału, co stanowi znaczący kamień milowy”. Waga ma kluczowe znaczenie. W przemyśle lotniczym i kosmicznym decyduje ona o tym, ile paliwa jest spalane i ile powstaje emisji. W lotnictwie lżejsze elementy silników i układów napędowych ograniczają zużycie paliwa podczas każdego lotu, co przekłada się na znaczną redukcję emisji CO₂ w ciągu kilkudziesięcioletniego okresu eksploatacji samolotu.
Zgodność z celami UE w zakresie zrównoważonego rozwoju i odporności
Innowacje technologiczne poprawiają wydajność, niezawodność i zrównoważony charakter wytwarzania addytywnego, czyniąc je bardziej atrakcyjnym dla przemysłu. Lżejsze, wytrzymalsze i bardziej wydajne elementy, które ograniczają marnotrawstwo materiałów i zmniejszają wpływ produkcji na środowisko, znacznie wzmacniają europejską konkurencyjność. „Projekt MADE-3D pokazuje, że wielomateriałowy druk 3D może bezpośrednio przyczynić się do dekarbonizacji transportu lotniczego i kosmicznego”, dodaje Lehnert. W tym kontekście projekt wspiera inicjatywę Europejski Zielony Ład i cele gospodarki o obiegu zamkniętym(odnośnik otworzy się w nowym oknie), kładąc nacisk na recykling i zrównoważony rozwój. Projekt wyznacza również nowe standardy w dziedzinie produkcji cyfrowej, plasując UE w światowej czołówce innowatorów w dziedzinie druku 3D. „Projekt MADE-3D przekształcił wielomateriałowy druk 3D oparty na metalach z eksperymentalnego podejścia bazującego na zasadzie prób i błędów w dyscyplinę inżynierii opartą na prognozowaniu”, podsumowuje Lehnert. „Powstały kompleksowe ramy, które wyznaczają kierunek rozwoju nowych materiałów i komponentów – od komputerowego projektowania stopów i optymalizacji procesów po wytyczne projektowe, kwalifikację i recykling – umożliwiając w ten sposób szybszą, bardziej niezawodną i wymagającą mniejszego nakładu eksperymentalnego realizację przyszłych zastosowań wielomateriałowych”.
