Témata
Reklama

Navařování metodou WAAM

Aditivní výroba (AM – Additive Manufacturing, 3D print apod.) je inovativní výrobní proces, kterým je možné vytvářet trojrozměrné objekty tak, že se postupně skládá vrstva po vrstvě určitého materiálu a tím se vytvářejí rozličné finální tvary podle CAD předlohy (zatímco u konvenčních způsobů výroby, jako např. obrábění, se odstraňuje nežádoucí materiál z plného průřezu).

V současné době je AM široce používáno v prototypové výrobě, na výrobu komponent strojů, zařízení a konstrukcí z různých materiálů. Je to průmyslová oblast, která v současné době prochází velmi intenzivním vývojem a je na ni soustředěna velká pozornost.

Reklama
Reklama

Alternativní AM metody

Kromě intenzivně řešeného 3D tisku kovových materiálů, který je v současné době zatím investičně a provozně velmi náročný, existují i alternativní metody AM, které jsou z ekonomického hlediska mnohem příznivější. Jednu z nich lze, podle pracovníků Cranfield University, kde byla metoda vyvinuta, označit jako WAAM (Wire and Arc Additive Manufacture). WAAM je rozvíjející se technologie, která používá proces standardního obloukového svařování pro výrobu kovových 3D součástí a komponent různých relativně jednoduchých (z pohledu AM technologií) geometrických tvarů a větších rozměrů, jež jsou však jinými způsoby výroby těžko dosažitelné nebo jsou výrobně neekonomické (např. odlehčené nebo duté profily, příp. rotační součásti s výztuhami apod.), které jsou vhodné pro aplikace např. v leteckém průmyslu, ale i v celé řadě dalších oborů.

Ukázky možností technologie WAAM

Metoda WAAM vznikla v důsledku vývoje různých technologických odvětví (je zde nutno skloubit vhodné technologické parametry procesu svařování s robotickým programováním a znalostmi termální analýzy, aby bylo dosaženo požadovaných mechanických vlastností výrobku).

Jedním z hlavních důvodů použití této technologie je využití tzv. přístupu BTF (buy to fly) v optimálním poměru. Jedná se o poměr „vstupního“ výrobního materiálu k materiálu „výstupnímu“, tzn. k materiálu hotového výrobku (jde o to, že na rozdíl např. od obrábění vzniká minimum odpadu). Toto je faktor vyzdvihovaný především v oblasti již zmiňovaného leteckého průmyslu. Tento poměr je obvykle u konvenčních způsobů výroby v rozmezí 10:1 až 20:1. Při využití WAAM můžeme poměr snížit o 35–45 %. Různé studie ukazují odhady, že využití metody WAAM v letectví může snížit cenu letadla o 60 % a hmotnost až o 30 %.

Ukázka výroby metodou WAAM v lodním průmyslu

Princip metody WAAM

WAAM metoda výroby spočívá v ukládání velkého počtu jednotlivých návarových housenek vedle sebe (resp. na sebe). Součásti jsou tedy tvořeny postupným navařováním jednotlivých vrstev po trajektorii budoucího obrysu součásti (vždy zezdola nahoru) s konstantní nebo adaptivní tloušťkou návarové „stěny“, případně ukládáním materiálu do těchto obrysů k vytvoření plných částí. Proto přesné modely pro geometrii jednotlivých housenek, resp. vrstev (tvořených překrývajícími se návarovými housenkami) hrají důležitou roli při určování kvality povrchu a rozměrové přesnosti vyrobených produktů.

Jedná se o typ SMD (Shaped Metal Deposition) technologie kombinující elektrický oblouk s využitím přídavného materiálu (PM) ve formě kovového drátu (jako PM se používají běžné svařovací dráty). Pro tyto účely se často namísto elektrického oblouku používají laser a elektronový svazek s použitím práškového PM. Tyto metody jsou však omezeny rychlostí nanášení vrstev a velikostí možného výrobku. Naproti tomu WAAM metoda je ideální proces, který si klade za cíl vyrábět produktivně velké komponenty.

Proces je nutno automatizovat, k čemuž lze využít univerzální robotická pracoviště, jejichž velikost pak limituje velikost (resp. dosah) pracovní plochy. Pohyb zařízení (svařovacího hořáku) může zabezpečovat buď robotický systém, nebo počítačem řízený portál.

Porovnání dílu vyrobeného metodou WAAM a obráběním

Kde a jak je WAAM vhodné použít?

Pro zpracování metodou WAAM mohou být použity všechny svařitelné materiály, jako jsou konstrukční i vysokolegované oceli, hliník, titan, nikl, měď a jejich slitiny. Jedná se tedy o slibnou alternativu pro zhotovení součástí vyrobených z drahých (příp. obtížně zpracovatelných) materiálů, kde u konvenčního obrábění často vzniká extrémně vysoký poměr BTF.

U některých typů speciálních materiálů je vhodné upravit teplotní režim a předepsat např. teplotu interpass mezi jednotlivými vrstvami návaru (případně je možné zařadit i speciální režim „válcování“ navařených vrstev). Kromě toho lze WAAM použít i na výrobky tvořené z několika různých materiálů.

Porovnání parametrů výroby dílu z Ti slitiny

Obrábění:
Hmotnost vstupního materiálu 240 kg
Hmotnost součásti 21 kg
BTF poměr 11,6
Odpad 91 %

WAAM:
Hmotnost vstupního materiálu 24 kg
Hmotnost součásti 21 kg
BTF poměr 1,15
Odpad 13 %
Doba depozice 24 hod

V porovnání s běžnými konvenčními procesy výroby jsou výhodami technologie WAAM flexibilní výroba různých typů konstrukcí, již zmíněný široký výběr materiálů, vyrobitelnost součástí různě složitých geometrických tvarů, nízké náklady a krátké dodací časy. Tvar výrobků je omezen „pouze“ podmínkou umožnění postupného nanášení (navařování) jednotlivých vrstev. Nicméně i tak WAAM nabízí konstruktérům možnost vytvářet objekty, které byly dříve považovány za nevyrobitelné.
Jak bylo zmíněno výše, nejčastěji jsou pro metodu WAAM používány metody svařování elektrickým obloukem v ochranných atmosférách – TIG a MIG/MAG. Rychlost nanášení (výkon navaření) pro WAAM může být při použití TIG navařování okolo jednoho kilogramu za hodinu, zatímco při použití metody MIG/MAG to může být za hodinu i několik kilogramů. Nedostatkem MIG/MAG metody je nižší stabilita oblouku a rozstřik během tvorby návaru, případně zvýšená pórozita. Tyto problémy je možné snížit použitím modifikovaných procesů metody MIG/MAG, které sníží vnesené teplo a mají bezrozstřikový charakter procesu – např. metoda Cold Metal Transfer (CMT) firmy Fronius, Cold Arc firmy EWM nebo Inteligent Arc Control (IAC) firmy Migatronic apod.

Výzkumné práce jasně ukazují, že CMT a podobné modifikace mají při použití WAAM řadu výhod, jako jsou např. vysoká kvalita a bezrozstřikové navařování, nízký tepelný příkon, vynikající reprodukovatelnost, vysoký výkon navaření a možnost tvorby menších tlouštěk stěn, jemnější mikrostruktura atd.

Svařovací zařízení – robotické (vlevo), portálový stroj původně určený pro metodu FSW (vpravo)

Závěr

Výhody této popsané zajímavé výrobní technologie spočívají především v možnosti použití konvenčních zařízení (nízké investiční a provozní náklady), vysoké rychlosti nanášení (několik kg.hod-1), vysoké materiálové účinnosti (minimální odpad), možnosti použití na velký sortiment základních materiálů, flexibilitě (rychlá realizace návrhů a možnost tvorby součástí velkých rozměrů). To vše jsou aspekty, které v budoucnosti povedou k jejímu většímu rozšíření.

Použitá literatura:

  • Chen, J.: Hybrid design based on wire and arc additive manufacturing in the aircraft industry, Thesis, Cranfield university, 2012.
  • Baufeld, B., Brandl. E., van der Biest, O.: Wire based additive layer manufacturing: Comparison of microstructure and mechanical properties of Ti–6Al–4V components fabricated by laser-beam deposition and shaped metal deposition, Journal of Materials Processing Technology 211 (2011), s.1146–1158.
  • Gu, J., Cong, B., Ding, J. Williams, S.W., Zhai, Y.: Wire+arc additive manufacturing of aluminium, Cranfield University.
  • Ding, D., Pan, Z., Cuiuri, D., Li, H.: A multi-bead overlapping model for robotic wire and arc additive manufacturing (WAAM), Robotics And Computer-Integrated Manufacturing, 31, s. 101–110.
  • Addison, A., Ding, J., Martina, F., Lockett, H., Wiliams, S., Zhang, X.: Manufacture of Complex Titanium parts using Wire+Arc Additive Manufacturing, Titanium Europe 2015 – International Titanium association, May 11-13, 2015.
  • Mehnen, J., Ding, J., Lockett, H., Kazanas, P.: Design for Wire and Arc Additive Layer Manufacture, Proceedings of the 20th CIRP design conference, Nantes, France, 2010.
  • Ding, J., et al.: Thermo-mechanical analysis of Wire and Arc Additive Layer Manufacturing process on large multi-layer parts. Computational Materials Science, 2011. 50(12): s. 3315–3322.
  • Ouyang, J. H., Wang, H., and Kovacevic, R.: Rapid prototyping of 5356- aluminium alloy based on variable polarity gas tungsten arc welding: process control and microstructure. Materials and Manufacturing Processes, 2002. 17(1): s. 103–124.
  • Pickin, C. G., Williams, S. W., and Lunt, M.: Characterisation of the cold metal transfer (CMT) process and its application for low dilution cladding. Journal of Materials Processing Technology, 2011. 211(3): s. 496–502.
  • Sequeira Almeida, P. M., and Williams, S. W.: Innovative process model of Ti-6Al-4V additive layer manufacturing using Cold Metal Transfer (CMT), 21th International Solid Freeform Fabrication Symposium. 2010: Austin, Texas, USA, s. 25–36.
  • Martina, F.,. Williams, S. W., and Colegrove, P. A.: Improved microstructure and increased mechanical properties of additive manufacture produced Ti–6Al–4V by interpass cold rolling, 24th International Solid Freeform Fabrication Symposium. 2013: Austin, Texas, USA, s. 490–496.
  • Williams, S. (2011), WAAM process features (unpublished RUAM 8th industry meeting), Welding Engineering and Laser Processing Centre, Cranfield university.
  • http://www.damen.com/en/news/2017/09/3d_printed_ships_propeller_takes_step_closer_to_completion

ČVUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav strojírenské technologie

Doc. Ing. Ladislav Kolařík, Ph.D., prof. Ing. Jan Suchánek, CSc., Ing. Marie Kolaříková, Ph.D.

Ladislav.Kolarik@fs.cvut.cz

Reklama
Vydání #1,2
Kód článku: 180108
Datum: 07. 02. 2018
Rubrika: Trendy / Spojování a dělení
Autor:
Firmy
Související články
Současný vývoj v oblasti svařování

Svařování, resp. spojování materiálů je v podstatě průřezová skupina technologií, která ovlivňuje prakticky všechny průmyslové obory. Některé obory by bez svařování a dalších způsobů spojování materiálů dnes již nemohly vůbec existovat, např. výroba automobilů, výroba konstrukcí ve stavebnictví a řady strojírenských složitých výrobků, včetně energetických zařízení.

V nejisté době je univerzálnost řešením

Automatizace průmyslových procesů řeší problémy s nedostatkem kvalifikované pracovní síly, nahrazuje fyzicky namáhavou či zdravotně škodlivou činnost, snižuje chybovost lidského faktoru, zkracuje výrobní časy a v konečném důsledku přispívá ke zvýšení kvality a zisku. Nejen toto je pro ředitele společnosti Acam Solution Ing. Pavla Bortlíka a jeho tým motivace, ale i zábava. Za relativně krátkou dobu na trhu se firma stala, ať už napřímo, či přes své obchodní partnery, dodavatelem společností jako Volkswagen, Toyota, Olympus, Škoda Auto, Edwards, TE, BOSH, Heinze Gruppe, Woco STV či Fanuc a nyní přichází s řešením vhodným nejen pro velké výrobce, ale také pro malé a střední podniky – s univerzální robotickou buňkou HXG. Důležitým komponentem v této buňce je mimo jiné systém pro upínání nulového bodu VERO-S od společnosti Schunk.

Špičkové technologie dnes i zítra

Společnost Trumpf je renomovaný výrobce technologií na zpracování plechů a profilů a laserů pro průmysl. Výrobní historie se pomalu blíží celé stovce let a česká pobočka s obratem zhruba sto milionů eur za rok patří k důležitým průmyslovým hráčům nejen na českém trhu. Bylo proto jasnou volbou požádat ředitele společnosti Trumpf Praha Romana Haltufa, aby čtenářům MM Průmyslového spektra prozradil, kam se vývoj v tomto nepostradatelném oboru za minulá léta posunul.

Související články
Procesní řetězec pro průmyslový 3D tisk

Stroje, které generují středně velké díly technologií Laser Metal Fusion (LMF), vyrábějí složité strukturované díly pomocí laseru vrstvu po vrstvě v práškovém loži. Tyto díly mohou mít průměr až 300 mm a výšku 400 mm. Díky chytrému principu válců, který umožňuje jejich rychlou výměnu pro výrobní proces a pro zásobní materiál, se tato nová zařízení etablují v segmentu sériové výroby složitých kovových dílů.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Harmonizace ve svařování

Mezinárodní harmonizace norem a pravidel pro svařování je důležitá z mnoha důvodů. Primárním důvodem je skutečnost, že svařování je považováno za "zvláštní proces" (EN ISO 9001), při kterém nelze zcela zjistit jakost po skončení procesu inspekcí, ale jakost musí být sledována před i v průběhu celého procesu svařování.

Autogen, plazma či laser?

Ať ve strojírenském, elektrotechnickém, potravinářském, chemickém či důlním průmyslu, nebo ve stavebnictví, zemědělství a mimo jiné také při výrobě dekoračních předmětů, tam všude nacházejí uplatnění CNC stroje pro termické dělení materiálů.

Oscilující paprsek laseru pracuje přesněji

Univerzálním nástrojem naší doby je laser, kterým je možné bezdotykově opracovávat téměř všechny materiály. Ještě lépe a přesněji se podaří materiály řezat nebo gravírovat, když paprsek laseru kmitá.

Aktuální možnosti v laserovém svařování

Laserové svařování lze v dnešní době považovat za velice moderní technologii. Vysoké svařovací rychlosti, štíhlý svar a z toho plynoucí výhody jsou pozitiva, která umožnila začlenění této metody do progresivních výrobních technologií. Tento článek si klade za cíl představit aktuální možnosti laserových svařovacích technologií.

Největší předváděcí centrum laserů a CNC strojů

Časům nakupování průmyslových strojů naslepo, bez osobního vyzkoušení a podrobné znalosti strojů, provozních nákladů a potřeb, již „odzvonilo“.

O úspěchu v průmyslovém lepení rozhodují zkušenosti

Málokterý obor ve strojírenských technologiích je závislý na tolika okolnostech, jako je tomu v průmyslovém lepení. Je to dáno množstvím vlivů, které ovlivňují konečný výsledek. Od samotného lepidla, vhodně zvoleného typu a konkrétních vlastností přes způsob aplikace lepidla, rychlost nanášení, čas na nanesení a ztuhnutí lepidla, přesnost nanášení, čistotu, bezpečnost a ekologii až po cenu. Pohybujeme se v rozsahu od jednoduchého lepení krabic housenkou lepidla nanášenou ruční pistolí až po automatické linky s množstvím servopohonů a čidel, příp. s robotem v ceně několika milionů korun.

Bezobslužná výroba forem rychle a přesně

Požadavky na výrobce nástrojů pro vstřikování plastových dílců rostou kontinuálně, současně se zvyšuje tlak na ceny ze zemí s nízkými mzdami. Pro výrobu těchto nástrojů jsou proto vyžadovány obráběcí stroje, které jsou vysoce produktivní i velmi přesné, aby bylo možné snížit náklady na opravu zmetků a rychle splnit přání zákazníků. Kromě toho musí "ladit" podpora ze strany výrobce stroje.

Výrobní laserové technologie

Výrobní laserové technologie lze dělit mnoha způsoby-, podle použitého výkonu, délky pulzu nebo interakce s materiálem. Nejjednodušší způsob rozdělení laserových technologií je do tří skupin: dělení a odebírání materiálu, spojování materiálu a úprava povrchu materiálu. Vzhledem k rozmanitosti využití laseru není toto dělení zcela jednoznačné a existuje několik dalších technologií, které se nacházejí mezi těmito kategoriemi.

Jsou smíšené konstrukce dočasně za svým zenitem?

Nikdo nenamítá proti oprávněné potřebě lehkých konstrukcí v dopravě, aeronautice, obalové technice a u pohyblivých částí strojů, systémů a zařízení. Avšak jsou smíšené konstrukce s plasty vyztuženými vlákny v současnosti opravdu za svým zenitem?

Automatizace lidem práci nebere

Automatizaci se ve firmě Kovosvit MAS věnují od roku 2013. Z původního projektu vznikla samostatná divize MAS Automation a na letošní rok má plánované téměř dvojnásobné tržby oproti roku 2017. V porovnání s plánovaným obratem celého Kovosvitu jsou tržby divize zatím nevýznamné, ale průměrný růst divize o dvě třetiny ročně dokládá, že automatizace má v podniku ze Sezimova Ústí zelenou.

Reklama
Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členem naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

Proč jsme nejlepší?

  • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
  • Vysoký podíl redakčního obsahu
  • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

a mnoho dalších benefitů.

... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

      Předplatit