PL249250B1

PL249250B1 - Sposób wytwarzania elementów przestrzennych ze stali z wykorzystaniem technologii Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM)

Info

Publication number: PL249250B1
Application number: PL447293A
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: PL447293A1

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 mm o składzie 0,1% C, 1,80% Mn, 0,41 Cr, 0,29% Mo, 0,05% Si, 0,07% V, 0,035% Al, 0,01% Ti, 0,005% P, 0,005% S, reszta Fe, topi się w łuku spawalniczym, przy szybkości podawania drutu 7,0 – 6,0 m/min, natężeniu prądu 155 - 145 A, napięciu prądu 12,0 – 12,3, 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 7,0 – 6,0 m/min, natężeniu prądu 155 - 145 A, napięciu prądu 12,0 - 12,3 V, przy ciągłym ruchu palnika wzdłuż zadanej trajektorii, po czym chłodzi się uzyskaną warstwę do temp. 120°C.

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania elementów przestrzennych ze stali 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, niemniej jest niewiele tego typu opracowań w polskiej literaturze. Przykładem takiego opracowania może być 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 literaturze zagranicznej, niemniej dotyczy materiałów komercyjnych, przykład: Y. Ali, P. Henekell, J. Hildebrand, J. Reimann, J.P. Bergmann, S. Barnikol-Oettler, „Wire are additive manufacturing of hot worktool Steel with CMT proces”. Journal of Materials Processing Technology, vol. 269, 2019, p. 109-116.

Istotą wynalazku jest .sposób wytwarzania elementów przestrzennych poprzez technologię Wire Are 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 mm o składzie 0.11% C, 1.80% Mn, 0.41% Cr, 0.29% Mo, 0.05% Si, 0.07% V, 0.035% Al., 0.01% Ti, 0.005% P, 0.005% S, reszta Fe, topi się włuku spawalniczym przy szybkości podawania drutu 7.0-6.0 m/min, natężeniu prądu 155-145 A, napięciu prądu 12.0-12.3, 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 7.0-6.0 m/min, natężeniu prądu 155-145 A, napięciu prądu 12.0-12.3 V, przy ciągłym ruchu palnika wzdłuż zadanej trajektorii, po czym chłodzi się uzyskaną warstwę do temp. 120°C.

Sposób według wynalazku skierowany jest do użytkowników urządzeń opartych na technologii WAAM, którzy do wytwarzania wyrobów wykorzystują druty ze stali 10MFTi, bądź o podobnym składzie chemicznym. Zastosowanie sposobu według wynalazku pozwala na wykorzystanie drutu w gatunku 10MFTi do wytwarzania/produkcji wyrobów w technologii przyrostowej WAAM charakteryzujących się wysoką jakością struktury wewnętrznej, wolną od pustek i porów.

Sposób według wynalazku gwarantuje uzyskanie wyso koją kości owych wyrobów wolnych od pustek i porów. Tablica 1 przedstawia parametry procesowe.

Tablica 1. Parametry procesowe wytwarzania elementów ze stali 10MFTi z wykorzystaniem technologii WAAM.

Rodzaj wyrobu	Szybkość podawania drutu, m/min	Natężenie prądu, A	Napięcie prądu, V	Szyb koić posuwu palnika, mm/mln	Wysokość warstwy, mm	Korekta długości tuku, %	Korekta dyn/pulse	OvO, mm
grubościenny	7.0	155	12.3	500	3.20	0	0	3.50
cienkościenny	6.0	145	12.0	500	1.30	0	0

OD (ovcrleaping diswce) ~ parametr określający wielkość nakładania się na siebie przy legający cb ścicick podczas druku elementów grubość icnnych

Wynalazek został uwidoczniony w poniższych przykładach realizacji.

Sposób wytwarzania elementów ze stali 10MFTi z wykorzystaniem technologii przyrostowej WAAM zaprezentowano na przykładzie wytwarzania obiektów grubościennych w postaci bloczków o wymiarach 20 x 20 x 900 mm. Proces realizowany jest w komorze roboczej drukarki 3D WAAM, wyposażonej w spawarkę MIG/MAG.

1. Umieszczenie szpuli z 15 kg drutu ze stali 10MFTi o składzie chemicznym; 0.11% C, 1.80% Mn, 0.41% Cr, 0.29% Mo, 0.05% Si, 0.07% V, 0,035% Al., 0.01% Ti, 0.005% P, 0.005% S, reszta Fe, o średnicy 1.0 mm w układzie podawania drutu 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 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. Zajarzenia łuku i roztapiania 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 6.0 m/min, natężeniu prądu 145 A, napięciu prądu 12.0 V.

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

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

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 4-8 następuje do chwili uzyskania przez obiekt zadanej ilości warstw wymaganych dla danego elementu przestrzennego. W przykładzie otrzymano obiekt o wymiarach 20 x 200 x 900 mm.

Claims

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 mm o składzie 0.11% C, 1.80% Mn, 0.41% Cr, 0.29% Mo, 0.05% Si, 0.07% V, 0.035% Al, 0.01% Ti, 0.005% P, 0.005% S, reszta Fe, topi się w łuku spawalniczym przy szybkości podawania drutu 7.0-6.0 m/min, natężeniu prądu 155-145 A, napięciu prądu 12.0-12.3, 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 7.06.0 m/min, natężeniu prądu 155-145 A, napięciu prądu 12.0-12.3 V, przy ciągłym ruchu palnika wzdłuż zadanej trajektorii, po czym chłodzi się uzyskaną warstwę do temp. 120°C.