Производство присадок холодным распылением

Аддитивное производство холодным распылением ( CSAM ) (также называемое 3D-печатью холодным распылением ) — это особое применение холодного распыления , позволяющее изготавливать отдельно стоящие детали или создавать элементы на существующих компонентах. В ходе процесса мелкие частицы порошка ускоряются в высокоскоростном потоке сжатого газа и при ударе о подложку или опорную пластину деформируются и связываются вместе, образуя слой. Многократно перемещая сопло по подложке, слой за слоем образуется слой за слоем, образуя деталь или компонент. Если промышленный робот или манипулятор с компьютерным управлением управляет движениями распылителя, можно создавать сложные формы. Для достижения трехмерной формы существует два разных подхода. Во-первых, зафиксировать подложку и переместить пистолет/сопло холодного распылителя с помощью роботизированной руки; второй — перемещать субстрат с помощью роботизированной руки и удерживать сопло распылителя неподвижным. Также существует возможность объединить эти два подхода либо с использованием двух роботизированных манипуляторов. ^{[ 1 ]} или другие манипуляторы. ^{[ 2 ]} Для этого процесса всегда требуется подложка, и в качестве сырья используется только порошок.

Этот метод отличается от селективного лазерного плавления или электронно-лучевого аддитивного производства или другого процесса аддитивного производства, в котором используется лазер или электронный луч для плавления исходных материалов.

История

Истоки процесса холодного распыления восходят к началу 20 века, когда он был разработан и запатентован Терстоном. ^{[ 3 ]} Этот процесс был дополнительно исследован в 1950-х годах Рошвиллем. ^{[ 4 ]}^{[ 3 ]} и был вновь открыт в 1980-х годах в Институте теоретической и прикладной механики РАН. ^{[ 5 ]} и разработан как технология нанесения покрытий. Этот процесс начал использоваться для аддитивного ремонта и изготовления конструкций произвольной формы, что можно рассматривать как аддитивное производство, в начале 21 века, когда на рынке была представлена первая коммерческая система холодного напыления. ^{[ 6 ]}

Процесс

Аддитивное производство с использованием процесса холодного напыления и его преимущества можно рассматривать как процесс осаждения, позволяющий создавать детали и конструкции произвольной формы с высокой скоростью. Поскольку это процесс нанесения покрытия в твердом состоянии, во время процесса не происходит плавления исходного материала ( металлического порошка ), нет тепловых деформаций и не требуется защитная атмосфера, что позволяет создавать структуры слой за слоем. Теоретически это позволяет производить без ограничений по размерам изготовление отдельных узлов или ремонт поврежденных узлов.

Самый большой 3D-принтер или машина для аддитивного производства, использующая холодное распыление, может создавать детали размером до 9 × 3 × 1,5 м. ^{[ 7 ]} В процессе холодного распыления ударяющиеся частицы создают слой, толщина которого может различаться в зависимости от скорости движения распылителя по подложке и скорости подачи исходного материала, создавая структуру слой за слоем.

Материалы

При холодном напылении принцип процесса основан на пластической деформации частиц порошка исходного сырья, поэтому с помощью этого метода можно наносить в основном чистые металлы и сплавы, а также металлические стекла, композиты с металлической матрицей и в некоторых случаях полимеры. ^{[ 4 ]} Исследования и разработки в последнее время сосредоточены на нескольких наиболее сложных материалах для авиационной, космической и оборонной промышленности, таких как алюминиевые сплавы , ^{[ 8 ]} никеля на основе суперсплавы , ^{[ 9 ]}^{[ 10 ]} разные стали марки ^{[ 11 ]}^{[ 12 ]} и титановые сплавы ^{[ 13 ]}^{[ 14 ]}

Приложения

Космические и аэрокосмические применения

Аддитивное производство топливных баков, использующее преимущества процесса нанесения титана и титановых сплавов без плавления исходного материала. ^{[ 15 ]}
Камеры тяги, камеры сгорания и сопла ракет , где этот процесс дает преимущества неограниченных размеров и комбинации различных материалов, что также используется для создания каналов конформного охлаждения этих компонентов. ^{[ 16 ]}
Аддитивный ремонт компонентов авиационных двигателей, разработанный с использованием твердого состояния процесса холодного напыления, с использованием двух роботизированных манипуляторов и онлайн-3D-сканирования для нанесения покрытия на сложную геометрию лопасти вентилятора . ^{[ 1 ]}
Процесс производства присадок холодным распылением также применяется для аддитивного ремонта коробок передач и других компонентов самолетов. ^{[ 17 ]}

Изготовление инструментов и форм

Инструменты для формовки, литья и штамповки с конформными охлаждающими и нагревающими элементами, позволяющими сократить время цикла и значительно увеличить срок службы этих инструментов. ^{[ 18 ]}^{[ 19 ]}

Оборонные приложения

Титановые дроны. Компания Titomic построила 1,8-метровый квадрокоптер в своем научно-исследовательском бюро в Мельбурне, Австралия, используя свою версию CSAM. В статье также говорится о контракте с Titomic на производство тестовых деталей для Boeing . ^{[ 20 ]}

Другие приложения

Титановые трубки и другие компоненты прямого производства. ^{[ 21 ]}
Постоянные магниты для электродвигателей , нанесенные непосредственно на корпус двигателя с использованием технологии холодного напыления, что приводит к снижению затрат и обеспечивает большую свободу в процессе проектирования. ^{[ 22 ]}

Отличие от других методов АМ

Наиболее существенные различия между процессом аддитивного производства холодным распылением и другими процессами аддитивного производства заключаются в низкой температуре и твердом состоянии процесса, позволяющем избежать плавления исходного материала.

Преимущества

Очень высокая скорость осаждения, до 20 кг/ч в зависимости от плотности материала .
Никакой защитной атмосферы не требуется.
Возможность соединения или комбинирования разнородных материалов, например, металлов с разной температурой плавления .
Размеры сборки ограничиваются только распылителем и/или манипулятором компонентов.
Способен наносить практически все металлы и сплавы .
Процесс имеет низкое энергопотребление и не производит токсичных отходов .
Возможность собирать и повторно использовать 100% частиц (фактическая степень восстановления неизвестна).
Применение нескольких порошковых питателей позволяет осуществлять раздельное впрыскивание различных материалов при нанесении многокомпонентных отложений.
^{[ 23 ]}

Недостатки

Разрешение процесса ограничено из-за размера «пятна распыления», который обычно составляет несколько миллиметров.
Из-за сильной пластической деформации частиц остаточные напряжения в осадке могут накапливаться , приводящие к короблению , деформации или трещинам.
Для достижения механических свойств компонентов, изготовленных с помощью аддитивных технологий, сравнимых со свойствами сыпучего материала, может потребоваться последующая обработка компонента.

Производители оборудования

СПЭЕ3D ^{[ 24 ]}
ТИТОМИК ^{[ 25 ]}
Центральная линия ^{[ 26 ]}
ГЕРМЛЕ АГ ^{[ 2 ]}
Импакт Иннвоатиос ГмбХ ^{[ 27 ]}
Инновации ^{[ 28 ]}
Плазменный Гикен ^{[ 29 ]}
Металлические системы VRC ^{[ 30 ]}
Порошки по запросу ^{[ 31 ]}
BaltiCold Спрей ^{[ 32 ]}

См. также

3D printing
Электронно-лучевое изготовление произвольной формы
Селективное лазерное спекание
Селективное лазерное плавление

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б Алхарт, Тодд (15 декабря 2017 г.). «Братья по оружию: эти роботы привносят новый взгляд в 3D-печать» . Отчеты GE .
^ Jump up to: ^а ^б «Maschinenfabrik Berthold Hermle AG – Hermle MPA Technology – аддитивное производство, фрезерование в лучшем виде» . Машиненфабрик Бертольд Хермле АГ . 4 июля 2019 г.
^ Jump up to: ^а ^б Морган, Р.Х. (2003). «Холодное газодинамическое производство — новый подход к изготовлению металлических компонентов почти чистой формы» (PDF) . Мат. Рез. Соц. Симп. Проц . 758 (Mat. Res. Soc. Symp. Proc): 73–84. Архивировано (PDF) из оригинала 5 июля 2019 г. Проверено 3 июля 2019 г.
^ Jump up to: ^а ^б Раоэлисон, Р.Н. (2017). «Производство присадок холодным газодинамическим распылением сегодня: возможности нанесения, технологические решения и жизнеспособные применения». Материалы и дизайн . 133 (133): 266–287. дои : 10.1016/j.matdes.2017.07.067 .
^ Папырин, Анатолий (2007). Технология холодного распыления . Эльзевир. п. 336. ИСБН 978-0-08-045155-8 .
^ Морган, Р.Х; Сатклифф, CJ; Паттисон, Дж.; Галлахер, К.; Фокс, П.; О'Нил, В.; Мерфи, М. (2003). «Холодное газодинамическое производство — новый подход к изготовлению металлических компонентов почти чистой формы» (PDF) . Мат. Рез. Соц. Симп. Слушания . 758 . Архивировано (PDF) из оригинала 5 июля 2019 г. Проверено 5 июля 2019 г.
^ «Австралия — крупнейший в мире 3D-принтер напечатал 1,8-метровый титановый дрон» . Foundry-planet.com — B2B портал . 4 июля 2019 года . Проверено 4 июля 2019 г.
^ Петрачкова, К.; Кондас, Дж.; Гуальяно, М. (25 сентября 2017 г.). «Механические характеристики покрытий из алюминиевого сплава A357, нанесенных холодным напылением, для ремонта и аддитивного производства». Журнал технологии термического напыления . 26 (8): 1888–1897. Бибкод : 2017JTST...26.1888P . дои : 10.1007/s11666-017-0643-5 . S2CID 139863692 .
^ Багерифард, Сара; Монти, Стефано; Зукколи, Мария Виттория; Риччио, Мартина; Кондас, Ян; Гуальяно, Марио (апрель 2018 г.). «Холодное напыление для аддитивного производства структурных компонентов произвольной формы по сравнению с селективным лазерным плавлением». Материаловедение и инженерия: А. 721 : 339–350. дои : 10.1016/j.msea.2018.02.094 . HDL : 11311/1050965 .
^ Багерифард, Сара; Росчоли, Джанлука; Зукколи, Мария Виттория; Хади, Мехди; Д'Элия, Гаэтано; Демир, Али Гекхан; Превитали, Барбара; Кондас, Ян; Гуальяно, Марио (23 мая 2017 г.). «Нанесение холодным распылением отдельно стоящих образцов инконеля и сравнительный анализ с селективным лазерным плавлением». Журнал технологии термического напыления . 26 (7): 1517–1526. Бибкод : 2017JTST...26.1517B . дои : 10.1007/s11666-017-0572-3 . hdl : 11311/1043975 . S2CID 135980887 .
^ Чэнь, Чаоюэ; Се, Инчунь; Хуан, Жэньчжун; Ма, Вэнью, Жуйсин; эволюция и механические свойства мартенситностареющей стали 300. Материаловедение и инженерия: А. 743 . : 482–493. doi : 10.1016/j.msea.2018.11.116 . S2CID 139357943 .
^ Инь, Шуо; Чижек, Ян; Ян, Синчэнь; Лупои, Рокко (июль 2019 г.). «Стратегии отжига для улучшения механических свойств нержавеющей стали 316L, изготовленной аддитивным способом, нанесенной холодным распылением». Технология поверхностей и покрытий . 370 : 353–361. doi : 10.1016/j.surfcoat.2019.04.012 . S2CID 141080399 .
^ Макдональд, Д.; Фернандес Р.; Деллоро, Ф.; Джодоин, Б. (9 декабря 2016 г.). «Холодное распыление титанового порошка Armstrong Process для аддитивного производства» . Журнал технологии термического напыления . 26 (4): 598–609. дои : 10.1007/s11666-016-0489-2 .
^ Чэнь, Чаоюэ; Ян, Синчэн; Инь, Шуо; Хуан, Жэньчжун; Жуйсинь; исследование микроструктуры и механических свойств сплава Ti6Al4V, полученного методом холодного напыления». Аддитивное производство . 27 : 595–605. doi : 10.1016/j.addma.2019.03.028 . S2CID 139328329 .
^ «Эксперт TWI провел беседу по холодному распылению с Европейским космическим агентством» . twi-global.com .
^ Градл, Пол Р. (25 июля 2016 г.). «Методы быстрого изготовления насадок для жидкостных ракетных каналов» . НАСА . Проверено 4 июля 2019 г.
^ Бовалино, Яри М. (15 ноября 2017 г.). «Секретное оружие: этот сверхзвуковой бластер восстанавливает детали реактивных самолетов с помощью летающего пороха» . Отчеты GE .
^ «Maschinenfabrik Berthold Hermle AG — Применение генеративной технологии MPA Hermle» . Машиностроительный завод Berthold Hermle AG . 4 июля 2019 г.
^ «HERMLE MPA - Присадка фретиген» (PDF) . Технический университет Оствестфален-Липпе . Проверено 5 июля 2019 г.
^ Смит, Филипп (8 мая 2019 г.). «Австралия — крупнейший в мире 3D-принтер напечатал 1,8-метровый титановый дрон» . www.dronebelow.com . Проверено 19 декабря 2022 г.
^ Джахеди, Махназ З.; Захири, Саден Х.; Гулиция, Стефан; Тиганис, Билл; Тан, К.; Фрейзер, Даррен (апрель 2009 г.). «Прямое изготовление титановых деталей методом холодного напыления». Форум по материаловедению . 618–619: 505–508. doi : 10.4028/www.scientific.net/MSF.618-619.505 . S2CID 137096177 .
^ Дэвис, Сэм (29 января 2018 г.). «Канадские исследователи используют технологию холодного напыления для магнитов электродвигателей» . Журнал ТСТ .
^ Сова, А.; Григорьев С.; Окункова А.; Смуров И. (2 августа 2013 г.). «Потенциал холодного газодинамического распыления как технологии аддитивного производства». Международный журнал передовых производственных технологий . 69 (9–12): 2269–2278. дои : 10.1007/s00170-013-5166-8 . S2CID 109777931 .
^ «СПЕЭ3Д» . Проверено 4 июля 2019 г.
^ «Титомик — аддитивное производство в промышленных масштабах, 3D-печать, титан, инновации, Мельбурн, Австралия» . www.titomic.com .
^ «Технология сверхзвукового распыления CenterLine» . www.superonicspray.com .
^ «Impact Innovations — мировой технологический лидер в области промышленного холодного распыления» . www.impact-innovations.com .
^ «Кинетическая металлизация: покрытия, которые когда-то считались невозможными» . www.inovati.com .
^ «Система холодного напыления PCS-1000» . www.plasma.co.jp .
^ «VRC Metal Systems – Заставляем металлы работать» .
^ «Порошки под заказ» . www.powdersondemand.com . Проверено 1 февраля 2021 г.
^ «БалтиКолд Спрей» . Проверено 18 мая 2023 г.

[GE_fan_blade-1] Jump up to: ^а ^б Алхарт, Тодд (15 декабря 2017 г.). «Братья по оружию: эти роботы привносят новый взгляд в 3D-печать» . Отчеты GE .

[HERMLE_web-2] Jump up to: ^а ^б «Maschinenfabrik Berthold Hermle AG – Hermle MPA Technology – аддитивное производство, фрезерование в лучшем виде» . Машиненфабрик Бертольд Хермле АГ . 4 июля 2019 г.

[CGDM-3] Jump up to: ^а ^б Морган, Р.Х. (2003). «Холодное газодинамическое производство — новый подход к изготовлению металлических компонентов почти чистой формы» (PDF) . Мат. Рез. Соц. Симп. Проц . 758 (Mat. Res. Soc. Symp. Proc): 73–84. Архивировано (PDF) из оригинала 5 июля 2019 г. Проверено 3 июля 2019 г.

[AM_UTBM-4] Jump up to: ^а ^б Раоэлисон, Р.Н. (2017). «Производство присадок холодным газодинамическим распылением сегодня: возможности нанесения, технологические решения и жизнеспособные применения». Материалы и дизайн . 133 (133): 266–287. дои : 10.1016/j.matdes.2017.07.067 .

[CGS_book_Papyrin-5] Папырин, Анатолий (2007). Технология холодного распыления . Эльзевир. п. 336. ИСБН 978-0-08-045155-8 .

[CGDM_paper-6] Морган, Р.Х; Сатклифф, CJ; Паттисон, Дж.; Галлахер, К.; Фокс, П.; О'Нил, В.; Мерфи, М. (2003). «Холодное газодинамическое производство — новый подход к изготовлению металлических компонентов почти чистой формы» (PDF) . Мат. Рез. Соц. Симп. Слушания . 758 . Архивировано (PDF) из оригинала 5 июля 2019 г. Проверено 5 июля 2019 г.

[TITOMIC_drone-7] «Австралия — крупнейший в мире 3D-принтер напечатал 1,8-метровый титановый дрон» . Foundry-planet.com — B2B портал . 4 июля 2019 года . Проверено 4 июля 2019 г.

[8] Петрачкова, К.; Кондас, Дж.; Гуальяно, М. (25 сентября 2017 г.). «Механические характеристики покрытий из алюминиевого сплава A357, нанесенных холодным напылением, для ремонта и аддитивного производства». Журнал технологии термического напыления . 26 (8): 1888–1897. Бибкод : 2017JTST...26.1888P . дои : 10.1007/s11666-017-0643-5 . S2CID 139863692 .

[9] Багерифард, Сара; Монти, Стефано; Зукколи, Мария Виттория; Риччио, Мартина; Кондас, Ян; Гуальяно, Марио (апрель 2018 г.). «Холодное напыление для аддитивного производства структурных компонентов произвольной формы по сравнению с селективным лазерным плавлением». Материаловедение и инженерия: А. 721 : 339–350. дои : 10.1016/j.msea.2018.02.094 . HDL : 11311/1050965 .

[In718_freestanding-10] Багерифард, Сара; Росчоли, Джанлука; Зукколи, Мария Виттория; Хади, Мехди; Д'Элия, Гаэтано; Демир, Али Гекхан; Превитали, Барбара; Кондас, Ян; Гуальяно, Марио (23 мая 2017 г.). «Нанесение холодным распылением отдельно стоящих образцов инконеля и сравнительный анализ с селективным лазерным плавлением». Журнал технологии термического напыления . 26 (7): 1517–1526. Бибкод : 2017JTST...26.1517B . дои : 10.1007/s11666-017-0572-3 . hdl : 11311/1043975 . S2CID 135980887 .

[11] Чэнь, Чаоюэ; Се, Инчунь; Хуан, Жэньчжун; Ма, Вэнью, Жуйсин; эволюция и механические свойства мартенситностареющей стали 300. Материаловедение и инженерия: А. 743 . : 482–493. doi : 10.1016/j.msea.2018.11.116 . S2CID 139357943 .

[Cizek+Lupoi_steel_AM-12] Инь, Шуо; Чижек, Ян; Ян, Синчэнь; Лупои, Рокко (июль 2019 г.). «Стратегии отжига для улучшения механических свойств нержавеющей стали 316L, изготовленной аддитивным способом, нанесенной холодным распылением». Технология поверхностей и покрытий . 370 : 353–361. doi : 10.1016/j.surfcoat.2019.04.012 . S2CID 141080399 .

[Ti-6-4_AM_Cristal-13] Макдональд, Д.; Фернандес Р.; Деллоро, Ф.; Джодоин, Б. (9 декабря 2016 г.). «Холодное распыление титанового порошка Armstrong Process для аддитивного производства» . Журнал технологии термического напыления . 26 (4): 598–609. дои : 10.1007/s11666-016-0489-2 .

[14] Чэнь, Чаоюэ; Ян, Синчэн; Инь, Шуо; Хуан, Жэньчжун; Жуйсинь; исследование микроструктуры и механических свойств сплава Ti6Al4V, полученного методом холодного напыления». Аддитивное производство . 27 : 595–605. doi : 10.1016/j.addma.2019.03.028 . S2CID 139328329 .

[TWI_pr._tank-15] «Эксперт TWI провел беседу по холодному распылению с Европейским космическим агентством» . twi-global.com .

[NASA_Paper-16] Градл, Пол Р. (25 июля 2016 г.). «Методы быстрого изготовления насадок для жидкостных ракетных каналов» . НАСА . Проверено 4 июля 2019 г.

[AVIO_AM_repair-17] Бовалино, Яри М. (15 ноября 2017 г.). «Секретное оружие: этот сверхзвуковой бластер восстанавливает детали реактивных самолетов с помощью летающего пороха» . Отчеты GE .

[Hermle_applications-18] «Maschinenfabrik Berthold Hermle AG — Применение генеративной технологии MPA Hermle» . Машиностроительный завод Berthold Hermle AG . 4 июля 2019 г.

[Hermle_presentation-19] «HERMLE MPA - Присадка фретиген» (PDF) . Технический университет Оствестфален-Липпе . Проверено 5 июля 2019 г.

[Ti_drone_TITOMIC-20] Смит, Филипп (8 мая 2019 г.). «Австралия — крупнейший в мире 3D-принтер напечатал 1,8-метровый титановый дрон» . www.dronebelow.com . Проверено 19 декабря 2022 г.

[CSIRO_Ti_AM-21] Джахеди, Махназ З.; Захири, Саден Х.; Гулиция, Стефан; Тиганис, Билл; Тан, К.; Фрейзер, Даррен (апрель 2009 г.). «Прямое изготовление титановых деталей методом холодного напыления». Форум по материаловедению . 618–619: 505–508. doi : 10.4028/www.scientific.net/MSF.618-619.505 . S2CID 137096177 .

[NRC_Magnets-22] Дэвис, Сэм (29 января 2018 г.). «Канадские исследователи используют технологию холодного напыления для магнитов электродвигателей» . Журнал ТСТ .

[Sova_-_CSAM-23] Сова, А.; Григорьев С.; Окункова А.; Смуров И. (2 августа 2013 г.). «Потенциал холодного газодинамического распыления как технологии аддитивного производства». Международный журнал передовых производственных технологий . 69 (9–12): 2269–2278. дои : 10.1007/s00170-013-5166-8 . S2CID 109777931 .

[Spee3d-24] «СПЕЭ3Д» . Проверено 4 июля 2019 г.

[25] «Титомик — аддитивное производство в промышленных масштабах, 3D-печать, титан, инновации, Мельбурн, Австралия» . www.titomic.com .

[Centerline_web-26] «Технология сверхзвукового распыления CenterLine» . www.superonicspray.com .

[Impact_web-27] «Impact Innovations — мировой технологический лидер в области промышленного холодного распыления» . www.impact-innovations.com .

[Inovati_web-28] «Кинетическая металлизация: покрытия, которые когда-то считались невозможными» . www.inovati.com .

[Plasma_Gik_web-29] «Система холодного напыления PCS-1000» . www.plasma.co.jp .

[VRC_web-30] «VRC Metal Systems – Заставляем металлы работать» .

[31] «Порошки под заказ» . www.powdersondemand.com . Проверено 1 февраля 2021 г.

[BaltiCold_Spray-32] «БалтиКолд Спрей» . Проверено 18 мая 2023 г.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]

[ 16 ]

[ 17 ]

[ 18 ]

[ 19 ]

[ 20 ]

[ 21 ]

[ 22 ]

[ 23 ]

[ 24 ]

[ 25 ]

[ 26 ]

[ 27 ]

[ 28 ]

[ 29 ]

[ 30 ]

[ 31 ]

[ 32 ]