Инновационные всходы на ультразвуковом поле

В развитых экономиках стран металлическое аддитивное производство стало одним из столпов современной индустрии, обеспечивая беспрецедентную гибкость проектирования, настройку и эффективность при изготовлении сложных компонентов. Однако, как и любая развивающаяся технология, металлическое AП имеет свои уязвимости. Это, в том числе, известные всем практикам проблемы с пористостью, остаточными напряжениями и микроструктурными несоответствиями. В деле преодоления этих препятствий выделяется новый научный подход — аддитивное производство металлов с использованием ультразвукового поля (Ultrasonic field-assisted metal additive manufacturing, U-FAAM). Его появление в арсенале аддитивщиков становится переломным моментом. В этой статье мы рассмотрим будущие направления U-FAAM, акцентируя внимание на его потенциальных областях применения и на том, как он может преобразовать ландшафт металлического AП и максимизировать производительность и качество.

В чём новизна

U-FAAM интегрирует высокочастотные ультразвуковые колебания в обычные процессы AП для металла. Это нововведение направлено на использование ультразвуковой энергии для улучшения микроструктурного качества и механических свойств металлических деталей. В отличие от уже привычных методов AП для металла, при U-FAAM ультразвуковые колебания направляются в ванну расплава во время процесса плавления материала, что существенно влияет на динамику ванны расплава, распределение температуры и процесс затвердевания. И что на выходе? Меньше дефектов, более совершенная структура зерна и улучшенные межслойные связи — результаты, крайне востребованные в высокотехнологичных отраслях, в том числе в аэрокосмической, автомобильной и биомедицинской.

Рис. Технологии аддитивного производства с использованием ультразвукового поля

Почему U-FAAM? Решение проблем АП металлами

Сокращение дефектов: при традиционных процессах AП для металла нередко возникают такие дефекты, как пористость и плохая межслойная адгезия, которые могут нарушить структурную целостность деталей. Ультразвуковые колебания U-FAAM помогают уменьшить пористость, способствуя лучшей динамике потока в расплавленной ванне, что позволяет более эффективно удалять газы и примеси.

Улучшенные микроструктурные свойства: U-FAAM может оптимизировать микроструктуру металлов, уменьшая размер зерна и способствуя более однородному распределению легирующих элементов. В результате детали обретают улучшенные механические свойства – повышенную прочность, ударную вязкость и большее сопротивление усталости.

Минимизация остаточных напряжений: Одна из существенных проблем в AП для металлов – управление остаточными напряжениями, возникающими при быстром охлаждении и затвердевании. Введение ультразвуковой энергии способствует более равномерному распределению тепла, что минимизирует температурные градиенты и, следовательно, остаточные напряжения.

Более широкое применение материалов: процесс U-FAAM продемонстрировал совместимость с различными металлическими сплавами, включая алюминий, титан и суперсплавы на основе никеля. Эта универсальность открывает двери для более широкого применения в различных секторах, каждый из которых имеет свои уникальные требования к материалам.

В обойме новых инструментов

По мере того, как U-FAAM продолжает набирать обороты, на его внедрение в различных отраслях влияют несколько ключевых тенденций:

1. Расширенное моделирование и имитация для оптимизации процессов

Будущие достижения в U-FAAM будут все больше полагаться на вычислительные модели и симуляции для оптимизации параметров процесса. Например, понимание взаимодействия между ультразвуковой частотой, амплитудой и распределением энергии имеет решающее значение для адаптации технологии к конкретным свойствам материалов и геометрии компонентов. Расширенные инструменты моделирования могут помочь в прогнозировании, сокращая количество ошибок и ускоряя время выхода продукта на рынок.

2. Интеграция с машинным обучением и ИИ

Искусственный интеллект (ИИ) и машинное обучение (англ. machine learning, ML) революционизируют многие аспекты производства, и U-FAAM не является исключением. Внедряя алгоритмы ИИ и ML, инженеры могут динамически оптимизировать параметры процесса, что должно приводить к более стабильному качеству и сокращению количества дефектов. Например, модели на основе ИИ могут прогнозировать оптимальные ультразвуковые настройки для достижения желаемых микроструктурных свойств, адаптируясь в режиме реального времени к изменениям в производственной среде.

Рис. Влияние ультразвука на микроструктуру наплавляемых по технологии WAAM металлов и сплавов

3. Полиматериальные и гибридные подходы к производству

Будущее U-FAAM также заключается в его интеграции с гибридными производственными системами. Объединение U-FAAM с другими технологиями AП, такими как L-PBF или DED, может дать возможность создавать многокомпонентные изделия с индивидуальными свойствами. Этот гибридный подход – эффективный инструмент стимулирования инноваций, например, в аэрокосмической промышленности, где в компонентах часто важны сочетание прочности, уменьшенного веса и термической стабильности.

4. Расширение масштабов промышленного производства

Хотя U-FAAM доказал свою эффективность на этапах исследований и испытаний, переход к его использованию в крупномасштабном промышленном производстве является ключевой областью будущих исследований. Решение таких задач, как поддержание постоянной интенсивности ультразвука при больших размерах печати и обеспечение совместимости с высокопроизводительными системами AП, будет иметь решающее значение. Инновации в проектировании ультразвукового оборудования, в том числе методы регулируемой амплитуды или использование нескольких ультразвуковых преобразователей, могут стать ключом к раскрытию этого потенциала.

С U-FAAM – эффективнее

А теперь рассмотрим, как сможет проявить себя U-FAAM в ключевых отраслях индустрии.

Аэрокосмическая промышленность

В аэрокосмической отрасли, где в приоритете – надежность компонентов, снижение веса и производительность, U-FAAM предлагает уникальное преимущество. Улучшая механические свойства и уменьшая дефекты, U-FAAM может помочь производить легкие, высокопрочные компоненты, в том числе лопатки турбин, различные кронштейны и детали двигателей. Улучшенная структура зерна и сниженные остаточные напряжения способствуют более длительному сроку службы и лучшей устойчивости к экстремальным условиям эксплуатации.

Автомобильная промышленность

Автомобильный сегмент постоянно ищет способы повышения топливной экономичности, снижения выбросов и повышения безопасности транспортных средств. U-FAAM может помочь в производстве легких, высокопрочных компонентов – деталей двигателя, элементов трансмиссии, рам и кронштейнов. Его способность работать с различными металлическими сплавами, включая современные высокопрочные стали и алюминиевые сплавы, делает его идеальной технологией для меняющихся потребностей автомобильной промышленности.

Биомедицинский сектор

В биомедицине точность и индивидуализация имеют решающее значение, особенно для имплантатов и протезов. U-FAAM может обеспечить улучшенный контроль над микроструктурой, что позволит получать компоненты с превосходной биосовместимостью, прочностью и долговечностью. Потенциал использования U-FAAM для титановых и никелевых суперсплавов также открывает новые возможности для изготовления одновременно легких и прочных индивидуальных имплантатов для нужд пациентов.

Будущее U-FAAM

Чтобы в полной мере раскрыть потенциал U-FAAM, будущие исследования должны быть сосредоточены на нескольких важнейших областях:

• Оптимизация процесса с учетом особенностей материала: разработка оптимизированных ультразвуковых параметров для различных металлических сплавов с целью максимально возможного использования их свойств.
• Инновации в области оборудования: создание современных ультразвуковых преобразователей и модуляторов, которые могут адаптироваться к различным процессам AП и условиям эксплуатации.
• Мониторинг и управление в реальном времени: интеграция датчиков и систем обратной связи для мониторинга ультразвуковых эффектов в реальном времени, обеспечение стабильного качества и минимизация дефектов.
• Устойчивое развитие и энергоэффективность: изучение роли U-FAAM в устойчивых производственных практиках, в частности, в сокращении потребления энергии и отходов материалов.

Аддитивное производство металлов с использованием ультразвукового поля – это значительный шаг на пути к преодолению текущих ограничений процессов AП металла. Улучшая свойства материала, уменьшая количество дефектов и расширяя возможности материала, U-FAAM позиционирует себя как преобразующую технологию для аэрокосмической, автомобильной и биомедицинской промышленности. Для инженеров и руководителей, стремящихся опережать конкурентов, инвестиции в исследования и разработки U-FAAM могут стать ключом к открытию новых уровней инноваций и эффективности.

Ссылки:

1. https://doi.org/10.1016/j.ultsonch.2024.107070 
2. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2023.118134 
3. https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2023.09.043 
4. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2023.168771 
5. https://doi.org/10.1016/j.msea.2022.144548 
6. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2024.123047 
7. https://doi.org/10.1016/j.msea.2021.141088 
8. https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2020.10.058