Technologia laserowego wytwarzania przyrostowego metali (LAM), znana także jako technologia Direct Metal Laser Sintering (DMLS), Selective Laser Melting (SLM) lub LaserCUSING, pozwala na wytwarzanie części o funkcjonalnych własnościach i dużej złożoności geometrycznej. Projekt AM-Crash prowadzony przez międzynarodowe konsorcjum, w którego skład po stronie polskiej wchodzi Politechnika Wrocławska i firma Wadim Plast, rozwija tę technologię dla sektora motoryzacyjnego, skupiając się w szczególności na dynamicznie obciążanych elementach karoserii samochodu. W ramach projektu opracowana zostanie adaptacyjna koncepcja produkcji części 3D do różnych zastosowań w konstrukcjach karoserii samochodowych Body-in-White (BIW) (Rys. 1) z uwzględnieniem wymogów co do ich wytrzymałości i plastyczności.
Marcin Kasprowicz
Głównym celem projektu jest wykorzystanie części wytworzonych z wykorzystaniem LAM podczas opracowywania prototypów do testów zderzeniowych. Wymaga to pełnego zrozumienia zachowania materiału wykorzystywanego w LAM w całym łańcuchu procesu, jak również przy dużych obciążeniach dynamicznych. Celem projektu AM-Crash jest osiągnięcie możliwie takich samych własności mechanicznych komponentów wytworzonych z wykorzystaniem LAM, jak własności standardowych części głęboko tłoczonych. Zastosowanie technologii LAM ma zapewnić znaczne korzyści w zakresie kosztów i czasu realizacji projektu konstrukcji samochodu.
Rys. 1 Przykładowa konstrukcja karoserii samochodowej (BIW)
Wartość globalnego rynku prototypowych komponentów LAM jest oceniana przez konsorcjum na od 70 do 250 mln EUR. Można się również spodziewać 80% redukcji czasu realizacji zamówienia, poprzez zastąpienie głęboko tłoczonych części prototypowych ich odpowiednikami wytworzonymi w technologii LAM, ponieważ nie będą już potrzebne narzędzia formujące, których wytworzenie jest czasochłonne. Dodatkowo, najczęściej proces projektowania składa się z kilku iteracji geometrii, dla których konieczna jest modyfikacja lub wykonanie w pełni nowych specjalistycznych narzędzi formujących, co generuje dodatkowe koszty, a także znacznie wydłuża czas etapu projektowego. Do osiągnięcia celu wymagane jest takie samo zachowanie strukturalne komponentów LAM jak tych głęboko tłoczonych z blach, w szczególności w odniesieniu do obciążeń dynamicznych powstałych podczas zderzenia. Aby było to możliwe konieczne jest opracowanie parametrów pozwalających na uzyskanie wysokich własności wytrzymałościowych, a także ich powtarzalności. Ponadto konieczne jest zbadanie wpływu wprowadzonych na etapie projektowania zmian geometrycznych (w postaci struktur kratowych i lokalnych pocienień ścian), jak i modyfikacji mikrostruktury materiału (lokalne hartowanie laserowe, obróbka cieplna i powierzchniowa obróbka strumieniowo ścierna).
Całemu łańcuchowi technologicznemu towarzyszą symulacje numeryczne, przeprowadzane dla przewidywania ostatecznych właściwości części. Obecnie możliwe jest mapowanie lokalnych parametrów materiału na modelu części w celu przeprowadzenia symulacji zderzeniowej. Uzyskane właściwości materiału oparte są jednak wyłącznie na symulacjach prowadzonych na standardowych elementach, a nie na tych wytworzonych z wykorzystaniem LAM. Rozwój symulacji stanowi kolejny cel do osiągnięcia w projekcie. Nowe podejście będzie obejmowało wykorzystanie efektów lokalnych modyfikacji komponentów LAM poprzez różnego rodzaju zabiegi – hartowanie laserowe, specjalne cechy konstrukcyjne itp. W związku z tym możliwy będzie dobór odpowiedniej techniki modyfikacji w celu osiągnięcia identycznych właściwości, jak w przypadku blachy głęboko tłoczonej. Dzięki zaawansowaniu krajowych projektów badawczo rozwojowych, konsorcjum AM-Crash rozpoczęło projekt wykorzystania LAM, rozwoju materiałów, metod łączenia i symulacji na poziomie TRL 3-4. Wyniki wszystkich odkryć naukowych zostaną zaadaptowane i przetestowane po zakończeniu projektu w ramach łańcucha procesów na poziomie zbliżonym do demonstratora przemysłowego (TRL 7).
Politechnika Wrocławska, jako lider polskiej części konsorcjum, w projekcie prowadzi badania materiałowe i wytrzymałościowe, budując bazę materiałową potrzebną do symulacji numerycznych prowadzonych w projekcie. Dodatkowo rozwija metody obróbki po-procesowej w postaci doboru parametrów laserowego hartowania i odpowiednich technologii łączenia, a także obróbki strumieniowo-ściernej.
Wadim Plast wspiera konsorcjum w procesie wytwarzania próbek LAM do badań laboratoryjnych, a także rozwija parametry procesu SLM dla materiału StaVari na maszynie SLM Solutions 280 HL 2.0 w celu zwiększenia wydajności i skrócenia czasu procesu wytwarzania przyrostowego, co idzie w parze z redukcją kosztów. Dodatkowo zadaniem firmy jest ocena opracowanego procesu LAM dla maszyn przemysłowych realizujących tę technologię oraz ocena ekonomiczna wykorzystania tej technologii dla opisanej aplikacji.
Cały artykuł dostępny jest w wydaniu płatnym 11/12 (170/171) Listopad/Grudzień 2021
