Témata
Reklama

Vliv složek ochranných atmosfér na WAAM

Svařování v současné době není už pouze technologií ke spojování materiálů. S rozvojem aditivní výroby strojních součástí lze tento proces využít také pro výrobu komplexních a geometricky složitých součástí. Technologie WAAM využívá svařování pro vrstvení jednotlivých svarových housenek do tvaru vyráběné strojní součásti a je charakterizována mnoha proměnnými – mimo jiné i účinky ochranné atmosféry. Cílem příspěvku je zhodnotit vliv jednotlivých složek ochranných atmosfér používaných pro MAG svařování.

V provedeném a dále popsaném experimentu byla věnována pozornost především vlivu obsahu argonu, oxidu uhličitého, kyslíku a helia v různých poměrech a směsích řady Maxx společnosti Air Products. Díky získaným výsledkům lze zvolit ochranný plyn, který svým účinkem na tavnou lázeň i okolí svaru nejméně ovlivní povrchovou geometrii návaru v návaznosti na vnesené teplo během svařování.

Reklama
Reklama

Aditivní výroba strojních součástí

Obecně lze aditivní technologie výroby rozdělit podle několika kritérií. Jedním z nich může být druh přídavného materiálu. Mezi technologie využívající přídavný materiál ve tvaru prášku řadíme DMLS, SLS či SLM. Naopak lze však použít přídavný materiál, který je již nyní v průmyslové výrobě běžně používán – svařovací drát. Tuto aditivní technologii nazýváme WAAM neboli Wire and Arc Additive Manufacturing.

Padesátivrstvý kontinuální návarTechnologiemi využívajícími kovový prášek je možné vyrobit malé a geometricky složité součástky. Podle způsobu použití často není nutné jejich povrch nijak upravovat třískovým obráběním. Využití těchto technologií je často omezeno pracovním prostorem, který musí být kompletně napuštěn ochrannou atmosférou. Dalšími nevýhodami může být i pořizovací cena výrobního zařízení spolu s nákupem přídavných materiálů.

Tepelné vodivosti jednotlivých složek plynů ochranných atmosfér

WAAM pracuje na principu klasického svařování. Jednotlivé svarové housenky jsou vrstveny na sebe, resp. vedle sebe, až do konečného tvaru součásti. Výhodou této technologie je podstatně větší pracovní prostor, který je omezen pracovní obálkou průmyslového robota. I tuto obálku lze podstatně rozšířit osazením robota na lineární posuv. Další výhodou je rychlost depozice přídavného materiálu spolu s jeho dostupností a možnost využít již existujícího svařovacího pracoviště. Vývoj WAAM směřuje do využití v oblasti leteckého průmyslu za účelem snížení koeficientu BTF (buy to fly), který představuje poměr vstupního materiálu k výstupnímu materiálu (hotová součást). Ve výsledku lze dosahovat až 90% snížení odpadového materiálu a tím pádem i snížení výrobních nákladů a dopadu výroby na životní prostředí.

WAAM a ochranné atmosféry

K dosažení stabilního procesu výroby WAAM je nutné definovat velké množství proměnných faktorů z oblasti technologie, materiálů, ale také použitého zařízení, způsobu kontroly a zpracované legislativy. Tento příspěvek se zabývá jedním z faktorů týkajícího se samotné technologie svařování – vlivem ochranné atmosféry na kvalitu návaru.

V experimentu byly použity argonové směsi pro svařování řady Maxx dodávané společností Air Products, které dále obsahují přídavky oxidu uhličitého, kyslíku a helia v různých poměrech. Jednou z nejdůležitějších charakteristik plynů používaných pro ochranné atmosféry je tepelná vodivost zaručující mimo jiné převod energie do místa svaru.

Pro zvětšení klikněte na tabulku.

Testování účinku ochranné atmosféry

Cílem experimentu je navařit kruhový kontinuální návar o padesáti vrstvách. Pro každý návar byl použit jiný ochranný plyn. Plyny a jejich složení jsou popsány v tabulce.

Experiment probíhal v mezifakultní laboratoři Ústavu strojírenské technologie na Fakultě strojní ČVUT v Praze, která disponuje robotizovaným pracovištěm osazeným šestiosým robotem Fanuc ArcMate 100iC. Jako svařovací proces byl použit CMT (Cold Metal Transfer) od společnosti Fronius, jako přídavný materiál byl použit HPT Welding wire G3Si od společnosti XU78 – HBT Weld (agenturní zastoupení společnosti Air Products).

Metodika odečítání měřených parametrů

Vyhodnocení experimentu

Výsledné navařené objekty byly vyhodnoceny změřením vlnitosti povrchu (SW), efektivní tloušťky stěny (EWT) a efektivní výškou návaru (EH) na příčném řezu návaru. Metodika odečítání je vyobrazena na obrázku. Pro lepší zobrazení výsledků vlnitosti povrchu jsou hodnoty na vnitřní straně stěny návaru v grafu vynášeny jako záporné hodnoty. SW1 představují hodnoty na vnitřní stěně vzorku, SW2 na vnější stěně návaru.

Oxidu uhličitého a helia raději méně

Naměřené hodnoty efektivní výšky návaru a naměřené hodnoty efektivní tloušťky stěny návaru

Naměřené hodnoty vlnitosti povrchu

Cílem experimentu bylo zjistit vliv jednotlivých ochranných atmosfér použitých při technologii svařování na geometrickou kvalitu povrchu vzorku vyrobeného pomocí technologie WAAM. Podle teoretických předpokladů založených na rozdílné tepelné vodivosti jednotlivých složek směsných ochranných atmosfér bylo potvrzeno, že pro kontinuální návar malých rozměrů, kdy každá předchozí vrstva nemá dostatek času pro vychladnutí, je nutné použít ochrannou atmosféru s minimálním obsahem oxidu uhličitého a helia.

Poděkování

Ochranné atmosféry pro experimentální činnost v oblasti výzkumu a aplikace technologie WAAM poskytla společnost Air Products.

Seznam použité literatury:

[1] KOLAŘÍK, Ladislav, Jan SUCHÁNEK a Marie KOLAŘÍKOVÁ. Navařování metodou WAAM. MM Průmyslové spektrum. 2018, (12), 60. ISSN 1212-2572.
[2] TUSEK, J. Experimental research of the effect of hydrogen in argon as a shielding gas in arc welding of high-alloy stainless steel. International Journal of Hydrogen Energy [online]. b.r., 25(4), 369-376 [cit. 2019-04-21]. DOI: 10.1016/S0360-3199(99)00033-6. ISSN 03603199. Dostupné z: http://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0360319999000336
[3] Maxx® Shielding Gases. Air Products spol. s r.o. [online]. b.r. [cit. 2019-03-28]. Dostupné z: http://www.airproducts.com/Products/Gases/WeldingCutting-Gases/Maxx-Shielding-Gases.aspx

ČVUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav strojírenské technologie

Ing. Pavel Rohan, Ph.D., EWE, Ing. Tomáš Gurčík, IWE

Pavel.Rohan@fs.cvut.cz

http://u12133.fsid.cvut.cz/

http://www.airproducts.cz/

Reklama
Vydání #11
Kód článku: 191112
Datum: 13. 11. 2019
Rubrika: Výroba / 3D technologie
Autor:
Firmy
Související články
Aditivní výroba unikátních řezných nástrojů

Aditivní technologie jsou jedním z nosných pilířů Průmyslu 4.0. Od roku 2014, kdy v ČR 3D tisk kovů odstartoval „ve velkém“, byla o této problematice napsána celá řada publikací, díky nimž je tato technologie považována za poměrně známou. Jedním z průkopníků 3D tisku v ČR je firma Innomia, která přinášela informace o technologii DMLS do povědomí českého průmyslu již několik let před tímto zmiňovaných boomem.

3D technologie letem světem

Vývoj 3D technologií dnes již zasahuje téměř do všech oblastí výroby. Uplatnění nachází u kusové výroby, ale dokáže si najít své místo i v sériové a dokonce velkosériové výrobě, kde nemusí jít nutně o samotné výrobky, ale např. o výrobu nástrojů nebo přípravků.

Vysokopevnostní ocelové plechy svařované laserem

Vysokopevnostní a otěruodolné oceli Optim a Raex, vyvinuté společností Ruukki, nabízejí jedinečné možnosti aplikace pro výrobce různých typů sklápěčů a nádrží. Raex je extrémně tvrdá, otěruodolná ocel, zatímco v případě oceli Optim jde o vysokopevnostní konstrukční ocel. Společně umožňují výrobu optimalizovaných a lehčích ocelových konstrukcí bez ztráty tvrdosti a pevnosti.

Související články
Již druhý hybridní stroj WeldPrint

Kovosvit MAS ve spolupráci s ČVUT vyvinul již druhý tzv. hybridní stroj pod obchodním názvem WeldPrint. Jde o technologii 3D tisku z kovu plně vyvinutou v České republice patřící do kategorie Hybrid Manufacturing (HM). Umožňuje vytvářet kovové dílce navařováním pomocí elektrického oblouku a jejich obrábění v jednom pracovním prostoru s výrazně menšími náklady než u jiných technologií 3D tisku z kovu. Nový stroj bude díky nižší pořizovací ceně dostupnější než jeho předchůdce.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Zcela jiné možnosti s aditivními technologiemi

Nadnárodní společnost General Electric napříč všemi svými dceřinými společnostmi neustále prohlubuje obrovské know-how. Vlastní zkušenosti s vývojem aditivně vyráběných částí zejména pro potřeby leteckého průmyslu přesahující již dvě dekády daly podnět ke vzniku zákaznického centra. GE Additive otevřela v roce 2017 zákaznické centrum (Customer experience center – CEC) kousek od Mnichova, kde firmám nabízí pomoc s nelehkými začátky s aditivními technologiemi.

Výuka a výzkum aditivních technologií

Inovativní výrobní technologie nacházejí své místo také v technickém vzdělávání. Do svých osnov je dříve či později zakomponovaly všechny technické vysoké školy. Avšak pořízení nákladných technologií se neobejde bez podpory ze strany průmyslového výzkumu. Na Fakultě strojní ČVUT v Praze nyní disponují úplně novým zařízením M2 cusing pro výrobu dílů metodou DMLS německého výrobce Concept Laser, dnes působící pod značkou GE Additive. Stroj dodala společnost Misan a technologie slouží primárně pro výzkum v leteckém průmyslu.

Aplikovaný vývoj a výzkum 3D technologií

CARDAM (Centre of Applied Research and Development for Additive Manufacturing) je unikátní výzkumně-vývojové pracoviště, které se zaměřuje na realizaci nových technicky a technologicky vyspělých řešení a produktů při využití aditivní výroby kovů. Poskytuje služby aplikovaného výzkumu a vývoje, kompletní inženýrské řešení pro tvorbu nových aplikací a výrobních procesů, pomáhá společnostem vytvořit potřebné vědomosti, znalosti a know-how v nové oblasti aditivního designu a výroby. Aditivní design a výroba patří mezi nejdůležitější technologické směry, celosvětově rozvíjené v rámci „Průmyslové revoluce 4.0“.

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.

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.

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.

Odlehčovací optimalizace 3D tištěné frézy

Vývoj v oboru obrábění se tradičně potýká s mimořádným dynamickým zatížením soustavy na straně jedné a požadavky na přesnost a produktivitu obrábění na straně druhé. Nalezení takové konstrukce nástroje, která odolá extrémním provozním podmínkám, a přitom umožní proces obrábění urychlit, může vést k zefektivnění výrobního procesu. Příkladem toho může být vývoj odlehčené frézovací hlavy. Dosavadní konstrukce obráběcích nástrojů vycházely z jednolitých plných tvarů zaručujících vysokou tuhost na úkor dynamických vlastností nástroje. Změnou vnitřní struktury je však možné najít optimum mezi těmito protichůdnými požadavky.

EBM - průlomová technologie výroby exponovaných součástí

Tvarově složité součásti přímo z výchozích materiálů. Vysoká produktivita. Kvalitní struktura. Výborné mechanické vlastnosti. Redukovaná zbytková napjatost. Žádné opotřebené nástroje, upínací prvky. Různé materiály. Přímá tvorba montážních sestav. Sjednocení více součástek do jedné. Úspora energie, času, nákladů. Bez odpadu. Energeticky efektivní a ekologické. To je EBM!

Nový stroj pro laserový 3D tisk kovů

Na specializovaném veletrhu Formnext ve Frankfurtu nad Mohanem, zaměřující se výhradně na systémy aditivní výroby, představila firma Trumpf nový stroj pro laserový 3D tisk kovů - TruPrint 2000. Univerzální stroj TruPrint 2000 vyniká několika technologickými novinkami a jeho koncepce je uzpůsobena zejména pro precizní a choulostivé produkty zdravotnického průmyslu a stomatologie. Nicméně firma již nyní deklaruje, že stroj má výhody i pro použití v automotive, leteckém a strojírenském průmyslu nebo pro výrobu nástrojů a forem, protože standardně zvládne zpracovávat všechny typy materiálů od ocelí a nerezu, přes hliníkové, titanové, niklové slitiny až po chrom kobalt a slitiny mědi.

Od aditivních strojů k hybridním zařízením

Zlepšující se funkčnost a výkon hardwaru, široká paleta volby materiálů a stále se zlepšující kvalita vyráběných součástí přispívají k růstu aditivní výroby. Technik ve výrobě tak získává neustále na významu.

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