1

Robotické navařování metodou WAAM jako alternativa k 3D tisku kovových materiálů

Ladislav Kolařík, Karel Kovanda, Tomáš Gurčík

ČVUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav strojírenské technologie

Anotace

Příspěvek obsahuje rozdělení nejčastěji používaných metod výroby pomocí technologie AM – Additive

manufacturing pro zpracování kovových materiálů a popisuje jejich jednotlivé principy a vzájemně

porovnává jejich výhody a nevýhody. Detailněji se věnuje popisu metody WAAM (Wire + Arc Additive

Manufacturing), která využívá konvenční obloukové svařovací procesy v kombinaci s průmyslovými

roboty, pro vrstvení jednotlivých svarových housenek, které ve výsledku tvoří požadovanou prostorovou

3D strukturu konečného výrobku. Dále jsou popsány vlivu na stabilitu a kvalitu procesu a popsán způsob

hodnocení kvality vytvořených návarů.

Úvod

Snížení nákladů a zvýšení efektivity – takto lze obecně charakterizovat hlavní požadavky zákazníků na současnou výrobu strojních součástí. Aditivní technologie výroby je v posledních letech jednou z nejrychleji se rozvíjejících výrobních metod. Tento proces výroby je založen na spékání (slinování, sintrování) a vrstvení přídavného materiálu požadovaných vlastností pomocí tepelného zdroje tak, že se výsledná 3D struktura co nejvíce podobá finální součásti dle CAD předlohy. Na rozdíl od konvenčních technologií výroby, aditivní technologie produkují znatelně méně odpadového materiálu, jelikož vstupním materiálem není plný profil. Aditivní výroba (AM – Additive Manufacturing, 3D print apod.) je tedy inovativní výrobní proces, který vytváří trojrozměrné objekty tak, že postupně skládá vrstvu po vrstvě určitého materiálu a tím vytváří rozličné finální tvary podle CAD předlohy (zatímco konvenční způsoby výroby, jako např. obrábění, odstraňuje nežádoucí materiál z velkého kusu plného průřezu). V současné době jsou metody AM široce používané v prototypové výrobě, na výrobu komponent strojů, zařízení a konstrukcí z různých materiálů, které ale lze použít jako plně funkční součásti. Je to průmyslová oblast, která v současné době prochází intenzivním vývojem.

V tomto příspěvku jsou informativně shrnuty metody využívající princip AM a porovnány jejich

výhody a nevýhody. Zvýšená pozornost je věnována konkrétní metodě AM, označované jako WAAM

(Wire and Arc Additive Manufacture), což je rozvíjející se technologie, která používá konvenční proces

svařování pro výrobu kovových 3D součástí a komponent různých relativně jednoduchých (z pohledu

AM technologií) geometrických tvarů a větších rozměrů, které jsou ale 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 celé řadě

jiných oborů.

Rozdělení metod využívajících princip AM pro zpracování kovových materiálů

Při výrobě pomocí AM s využitím kovových materiálů, je možné použít celou řadu metod,

obvykle rozdělovaných podle typu přídavného materiálu a způsobu jeho zpracování. Názvosloví, resp.

označování jednotlivých metod je někdy lehce zavádějící a používají se různé názvy, ale pro zpracování

kovových materiálů rozeznáváme obvykle tyto základní metody (viz obr. 1):

2

Obr. 1 – Rozdělení metod AM pro kovové materiály +

typické příklady výrobků DMLS (vpravo) [9]

- Laser Additive Manufacturing (LAM)

Jedná se o metody AM využívající laserový paprsek, a ty se dále dělí na: Selective Laser Sintering

(SLS), Selective Laser Melting (SLM) a Laser Metal Deposition (LMD). To jsou typické základní laserové

aditivní výrobní systémy pro kovové materiály.

SLS neboli „laserové spékání“ (slinování, sintrování) je typický AM proces. Někdy bývá

označován i jako DMLS (Direct Metal Laser Sintering). SLS a DMLS je označení v podstatě pro stejný

proces; oba zahrnují spékání přídavného materiálu (PM) spíše než úplné tavení. Jediný rozdíl mezi nimi

je ten, že SLS se obvykle používá k označení tohoto procesu i pro nekovové materiály, jako jsou plasty,

nylon a keramika, zatímco DMLS se používá výhradně pro označení „3D tisku“ pro kovové materiály.

Materiál ve formě velmi jemného prášku (částice 20-100 μm) je natavován teplem, které je

generováno laserem. Kvůli zamezení oxidace je pracovní prostor vyplněn ochranným plynem (obvykle

inertním). Metoda využívá vertikálně posuvnou podkladovou desku, na kterou jsou nanášeny

jednotlivé vrstvy prášku. Po nanesení první vrstvy je prášek působením laseru ohříván (těsně pod

teplotu tavení) a tím dochází k jeho spékání. Řídicí systém upravuje intenzitu laserového paprsku tak,

aby byl materiál tepelně ovlivněn jen v požadovaném místě. Okolní nenatavený prášek slouží jako

podpora pro model a je odstraněn v závěru práce. Tímto je dokončena jedna vrstva. Podkladová deska

je posunuta o tloušťku jedné vrstvy dolů a další vrstva prášku je nanesena speciálním válečkovým (nebo

stíracím) mechanismem a proces spékání se opakuje. Na hotovou součást je naneseno navíc několik

centimetrů prášku, aby bylo zajištěno rovnoměrné chladnutí. Dokončovací operace jsou nezbytnou

součástí výrobního procesu. Nejprve je nutno odstranit podpůrné struktury z povrchu součásti a poté

povrch dále tryskat, brousit, leštit nebo obrábět stejným způsobem jako klasický kovový materiál.

Systém SLS se skládá z laseru (obvykle CO2, Nd: YAG, Nd:Yb, vláknový, diskový apod.),

automatického zařízení pro vrstvení a stírání prášku, počítačového řídicího systému a dalších

pomocných zařízení, kterými jsou rozvod inertního plynu či vyhřívání pracovní desky [1, 2, 7].

Výhody SLS systému jsou: dobrá stabilita, široká škála zpracovávaných materiálů,

nepotřebnost podpůrných struktur v konstrukci a malý post-processing a to, že není nutné vytvrzování.

Nicméně proces SLS potřebuje rozměrná zařízení, která vyžadují vysokou spotřebu energie. Kromě

toho, výrobky procesu SLS mají méně kvalitní povrch, který může být i porézní, mohou nastat distorze

a jsou dosažitelné menší rozměrové tolerance. SLS metoda je vhodná zejména pro výrobu malých

funkčních části – viz obr. 1.

AdditiveManufacturing

Laser AdditiveManufacturing

Selective Laser Sintering

Selective Laser Melting

3-D Laser Cladding

Electron BeamMelting

Shaped Metal Deposition

Wire + ArcAdditive

Manufacturing

3

Obr. 2 – Schéma zařízení pro technologii DMLS – vlevo a LMD - vpravo [3]

SLM neboli „laserové tavení“ má s technologií SLS stejný princip i zařízení. Hlavním rozdílem

mezi těmito dvěma technologiemi je ten, že zatím co u SLS nedochází k úplnému roztavení prášku,

který je slinován, u technologie SLM dochází k úplnému roztavení přídavného materiálu a dochází ke

spojení na molekulární úrovni v homogenní stav (ohřev těsně nad teplotu tavení). To je především

důvod, proč se laserové tavení používá pro homogenní (čisté) přídavné materiály, jelikož uvažujeme

pouze jednu teplotu tavení. U technologie SLS můžeme použít heterogenní kovové prášky (v podstatě

slitiny – smíchané prášky s různými teplotami tavení), pouze není dosaženo z materiálového pohledu

homogenity finální struktury. [1, 2, 7] Hlavní rozdíl mezi SLS a SLM je tedy to, že metoda SLM používá

vyšší hustotu energie, aby došlo k plnému roztavení materiálu.

Typická tloušťka vrstvy pro slitinu Ti-6Al-4V pomocí SLM metody je mezi 30 až 50 μm. Proto,

SLM je vhodná pro výrobu tenkostěnných konstrukcí, jako jsou titanové zubní náhrady a korunky, a

konstrukcí z korozivzdorné oceli.

Obr. 3 – Zařízení pro technologii DMSL instalované na Ústavu obrábění, projektování a metrologie, Fakulty strojní, ČVUT v Praze (vlevo) – M2 Cusing od firmy ConceptLaser

a detail pracovní části zařízení (vpravo)[8] Na rozdíl od SLS (DMLS) a SLM metod, kdy je použit práškový přídavný materiál, který je

natavován přímo v pracovním prostoru, je u metody LMD, tj. 3D Laserového navařování, prášek přiváděn přímo z proudu plynu tryskami (viz obr. 2 vpravo). U technologie LMD stejně jako u SLM je vhodné použít čisté materiály pro jejich úplně roztavení. Hlavní předností technologie LMD je absence

4

rozměrného zařízení pro stírání a nanášení kovového prášku či nutnost zaplnit pracovní komoru inertní atmosférou. Prášek je totiž nanášen přímo na místo spékání průchodem přes speciální hlavu, přímo do proudu laserového paprsku. Touto hlavou do místa spékání současně protéká ochranný plyn (stejný princip jako např. u technologie svařování MIG/MAG), proto se tato metoda často nazývá jednoduše „Laserové navařování“ (tzv. Laser cladding), z důvodu jejího využití. [4, 7]

Obr. 4 – Ukázky výrobků vytvořených metodou LMD

- Electron Beam Melting (EBM)

Metoda EBM je také AM proces s PM na práškové bázi, ale používá místo laseru elektronový

svazek. Na rozdíl od výše zmíněných laserových technologií, zde není použita inertní ochranná

atmosféra, ale v pracovním prostoru je vytvořeno vakuum, aby se elektrony nezpomalovaly odrážením

od částic v atmosféře. Toto především zajišťuje vyšší kvalitu výsledné struktury, která obsahuje

znatelně méně nečistot (zejména kyslíku a dusíku) a méně mikroporezity. Výsledné výrobky mají

jemnou a homogenní mikrostrukturu a konzistentní mechanické vlastnosti materiálu. Tento proces se

proto používá zejména v lékařském a leteckém průmyslu k výrobě titanových dílů, jako jsou náhrady

kostí, implantáty dolní čelisti apod., případně komponenty leteckých motorů. Díly provedené EBM

metodou jsou znázorněny na obr. 5 vpravo. Obecné velikosti těchto součástí se pohybují mezi 5 až 10

cm [7].

Podobně jako LAM, i EBM systém, využívá přídavný materiál z prášku a zařízení je velmi

nákladné, složité a velké. Navíc kovové díly mají poměrně špatnou kvalitu povrchu. Nicméně, EBM

systémy mají vysokou rychlost nanášení a vyrobené součásti mají dobré mechanické vlastnosti.

Obr. 5 – schéma zařízení pro metodu EBM (vlevo) a příklady typických výrobků (vpravo) [10]

- Shaped Metal Deposition (SMD)

5

SMD je způsob rychlé výroby prototypů (rapid prototyping proces) vrstvu po vrstvě pomocí svařovacího kovového drátu (svařovacího přídavného materiálu). Tento proces byl vyvinut na Cranfield University pro společnost Rolls Royce, při výrobě dílů motorů v letech 1994 až 1999. Pro proces SMD mohou být použity všechny svařitelné materiály. Největší uplatnění mají však materiály, jako jsou Ni, Ti a jejich slitiny, protože jsou velmi drahé a obtížně zpracovatelné konvenčními metodami, na speciálně tvarované výrobky. Přesnost a kvalita povrchu jsou horší než u výše popsaných procesů využívajících laser nebo elektronový svazek, ale rychlost nanášení je vyšší, až o 1 kg / h. Jako tepelný zdroj může být opět použit laserový paprsek či elektronový svazek. Nicméně lze jako tepelný zdroj použít i elektrický oblouk, což přináší výrazný ekonomický efekt [1; 4]

Díly ze slitiny Ti-6Al-4V vyrobené pomocí SMD procesu se ukázaly být kvalitní, bez pórů a

splňující požadavky na minimální pevnost. Pevnost, tažnost jsou ovlivněny především rychlostí nanášení jednotlivých vrstev. Obr. 6 ukazuje trubkové díly vyrobené metodou SMD (z titanové slitiny Ti-6Al-4V). Šířka stěny je mezi 5 a 20 mm. Studie ukazují, že mechanické vlastnosti prvků vyrobených pomocí SMD jsou lepší než u odlitků [11].

Obr. 6 – Ukázky výrobků vytvořených metodou SMD

Rozdělení metod AM podle typu přídavného materiálu

Jak již bylo naznačeno výše v textu, v dnešní době jsou obvykle AM technologie zpracovávající

kovové materiály, klasifikovány buď jako proces využívající práškové přídavné materiály (PM) nebo

proces využívající drátové přídavné materiály.

Hlavní práškové přídavné materiály používané pro tyto procesy jsou materiály, jako: ocel,

hliník, titan, nikl a jejich slitiny. Obecně platí, že LAM a EBM technologie mohou poskytnout

komponenty s požadovanou geometrií, vysokou přesností díky extrémně fokusovanému laserovému

výkonu a přesném dávkování prášku. Nicméně, stále ještě existuje řada nevýhod těchto technologií:

- Relativně nízký výkon „navaření“, asi 50 g / h - Složité a drahé zařízení (řádově desítky milionů Kč) - Omezené výrobní možnosti závisející na velikosti pracovního prostoru - „Zhoršená“ kvalita povrchu - Nezaručené konstantní mechanické vlastnosti v celém objemu součásti (u LAM) - Kontaminace nečistotami (LAM) a materiální ztráty

Proto se v poslední době, jako náhrada za práškové přídavné materiály, používají drátové PM,

kvůli omezení znečištění a díky mnohem vyšším rychlostem depozice a lepšímu využití materiálu.

Kromě toho je různými výzkumnými pracemi prokázáno, že mechanické vlastnosti takových výrobků

na bázi AM jsou srovnatelné s odlitky a tvařenci.

6

S PM ve formě prášku jsme schopni výroby dílů s malou velikostí a vysokou geometrickou

přesností. Na druhou stranu, přístup založený na nanášení drátových PM je čistší a šetrnější k životnímu

prostředí (nevystavuje operátory potenciálně nebezpečnému prašnému prostředí) a má vyšší účinnost

využití materiálu (až 100%). Navíc, kovové dráty jsou levnější a snadněji dostupné než kovové prášky,

mající vhodné vlastnosti pro AM, což zvyšuje konkurenceschopnost technologií s drátovými PM.

V závislosti na použitém teplotním zdroji pro nanášení (v podstatě navařování) jednotlivých

vrstev, lze technologie AM s použitím kovových přídavných materiálů ve formě drátu, rozdělit do tří

základních skupin. Obdobně jako v předchozím případě (za použití práškových PM) lze využít laserový

paprsek nebo elektronový svazek, ale navíc zde je možné použít finančně mnohem méně náročnou

variantu: navařování elektrickým obloukem [7].

Výhody a nevýhody jednotlivých metod AM

Výhody AM využívajících spékání i tavení lze obecně shrnout do následujících bodů:

• při konstrukci není třeba hledět na složitost výroby • výrobní náklady na tvarově složité součásti jsou podobné jako na jednoduché součásti

o nákladech rozhoduje především doba „stavění“ (výška a průřez součásti) • jednoduchá změna výroby • možnost výroby různých tvarů – všestrannost • žádné sestavy - výroba komplexních součástí • minimální dodací lhůty • nízké požadavky na zkušenost operátora s výrobou

• hlavní výhody pro SLS a DMLS:

• možnost opětovného použití přebytečného materiálu a tím snížení nákladů na výrobu • vysoká přesnost tisku • možnost barevných příměsí

• při vhodném tepelném zpracování má součást mechanické vlastnosti jako po kování • uplatňuje se TZ na snížení pnutí (většinou i s deskou)

• hlavní výhody EBM:

• vysoká přesnost výroby • vynikající technické vlastnosti vytištěných objektů (podobné vlastnosti jako výkovek) • rychlejší než SLS a DMLS • není potřeba další tepelné zpracování a dokončovací operace

Hlavní nevýhody jsou obecně následující:

• rozdílné mechanické vlastnosti v porovnání s konvenčními technologiemi (pevnost/tažnost, pórovitost, drsnost povrchu) - vlastnosti ale mohou být i lepší, než při výrobě konvenční technologií

• produktivita • při výrobě méně složitých součástí je proces výroby mnohem delší • nutnost modelovat vrstvu po vrstvě • nutnost podpěr – jinak se součásti deformují • může být složitější na odladění stroje i výrobního procesu

• vysoká pořizovací cena i velké provozní náklady • Omezená velikost výrobku (pracovní prostor)

Výše zmíněný popis je myšlen zejména pro AM metody využívající práškové materiály, metody využívající drátové přídavné materiály jsou shrnuty dále.

7

Princip metody WAAM

Wire and Arc Additive Manufacture (WAAM) metoda výroby spočívá v ukládání velkého počtu

jednotlivých svarových (resp. návarových) housenek vedle sebe (resp. na sebe). Z tohoto důvodu,

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. Součásti jsou tedy tvořeny postupným navařováním jednotlivých vrstev po

trajektorii budoucího obrysu součásti (vždy ze zdola nahoru) s konstantní nebo adaptivní tloušťku

návarové „stěny“, případně ukládáním materiálu do těchto obrysů k vytvoření plných částí.

WAAM metoda je dle předchozího způsobu dělení typ SMD technologie, kombinující elektrický

oblouk jako tepelný zdroj k natavení přídavného materiálu ve formě kovového drátu (jako PM se

používají běžné svařovací elektrody – resp. svařovací dráty, běžné pro MIG/MAG procesy svařování).

Pojmenování metody bylo vytvořeno na Cranfield University, která se tímto procesem intenzívně

zabývá. WAAM proces byl úspěšně aplikován na aerodynamických komponentech motorů. S rostoucí

poptávkou z leteckého průmyslu, začali být technologie AM využívány nejen v komponentech motorů,

ale i na části draků letadel. Laser a elektronový svazek s použitím práškového PM jsou omezeny

rychlosti nanášení vrstev a velikostí možného výrobku. Naproti tomu WAAM metoda je z tohoto

pohledu „ideální proces“, který si klade za cíl vyrábět produktivně i výrobky větších rozměrů.

Obecně platí, že výkon navařování pomocí laserového paprsku nebo elektronového svazku je

v řádu 2 - 10 g / min, ve srovnání s 50 - 130 g / min pro obloukové navařování na bázi AM. Laser se sice

běžně používá jako zdroj energie v technologiích AM, nicméně má velmi nízkou energetickou účinnost

(2% - 5%). Elektronový svazek má vyšší energetickou účinnost (15% - 20%), ale vyžaduje, aby pracovní

prostředí bylo tvořeno vakuem. Pro srovnání, energetická účinnost obloukových svařovacích procesů,

jako je například – metoda MIG/MAG (Metal Inert/Active Gas) - svařování el. obloukem tavící se

kovovou elektrodou v ochranném plynu nebo TIG (Tungsten Inert Gas) – netavící se wolframovou

elektrodou v inertním plynu, jsou svařovací procesy s účinností až 90%. V důsledku toho, WAAM buď

pomocí MIG/MAG nebo TIG metody je slibná technologie pro výrobu komponentů pro letecký průmysl

s možností výroby rozměrných součástí, s velkou produktivitou a nízkými náklady [20].

Obr. 7 – princip metody WAAM (s pomocí TIG navařování) – vlevo [19] a typické uspořádání

robotického pracoviště – vpravo [7]

Navařování elektrickým obloukem způsobem AM (v podstatě kontinuální navařování

„samonosných“ návarů) kombinuje výhody vysoké rychlosti navařování, energetické účinnosti,

bezpečného provozu a nižších nákladů.

Metoda WAAM vznikla v důsledku vývoje různých technologických odvětvích (je zde nutno

skloubit vhodné technologické parametry procesu svařování, s robotickým programováním, a

znalostmi termální analýzy, aby bylo dosaženo požadovaných mechanických vlastností výrobku).

8

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 10-20: 1. Při využití WAAM můžeme poměr

snížit až o 35- 45%. Různé studie ukazují odhady, že využití v letectví může snížit cenu letadla o 60%, a

hmotnost až o 30%. Z předchozího textu vyplývá, že AM je tedy slibnou alternativou pro zhotovení

součástí vyrobených z drahých materiálů, jako je titan a nikl v leteckém průmyslu, kde u konvenčního

obrábění často vzniká extrémně vysoký poměr BTF.

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

Obr. 8 - Porovnání parametrů výroby dílu z slitiny Ti-6Al-4V sestava součásti podvozku letounu

Bombardier [12]

Proces je nutno automatizovat, k čemuž lze využít univerzální robotická pracoviště, jejichž velikost pak limituje velikost (resp. dosah) pracovní plochy. Velkou výhodou oproti jiným aditivním technologiím jsou nižší pořizovací náklady a zejména nízké provozní náklady, především při použití zmíněných konvenčních metod svařování. Pohyb zařízení (svařovacího hořáku) může zabezpečovat buď robotický systém (Obr. 9) nebo např. počítačem řízený portál. WAAM není z hlediska velikosti součástí zdaleka tak používaná pro malé a tvarově detailní součásti. Naopak je využívána pro součásti, které jsou z pohledu aditivních technologií jednoduché. Ale je možné vyrábět i rozměrné součásti a není výjimkou, že na součástech pracují i dva roboti najednou. Velikost pracovního prostoru u metody WAAM je omezena jen velice málo, jelikož pokud robotu nestačí jeho osobní pracovní prostor, je možné ho usadit na lineární pojezd.

Velkou výhodou metody WAAM je její použitelnost na klasických robotických linkách. Spolu s využitím dostupných softwarových nástrojů jako jsou např. off-line simulátory robotických pracovišť (resp. SW pro off-line programování) lze tento proces v budoucnosti reálně aplikovat ve výrobě a současně nahradit neekonomické výrobní procesy pro konkrétní strojní součásti.

9

Obr. 9 – Ukázka možného pracoviště pro metodu WAAM Vlevo – Robotické svařovací pracoviště na Ústavu strojírenské technologie, Fakulty strojní, ČVUT

v Praze – šestiosý univerzální robotu Fanuc ArcMate 100iC s rotačním polohovadlem Vpravo – Virtuální robotické pracoviště vytvořené v SW RoboGuide

Obr. 10 – Ukázka typického WAAM procesu [7, 1, 2] Jak bylo zmíněno výše, nejčastěji jsou pro metodu WAAM používány metody svařování

elektrickým obloukem v ochranných atmosférách, tzn. metoda TIG, a metoda MIG/MAG. Rychlost nanášení (výkon navaření) pro WAAM může být při použití TIG navařování okolo 1 kg / h, zatímco při použití metody MIG/MAG to může být až 10-15 kg/hod. Je ovšem nutné upozornit, že vhodnost těchto metod se s použitím různých materiálů liší. [7] Obecně se při technologii navařování WAAM potýkáme se stejnými problémy jako při klasickém svařování. Těmi jsou porezita, vysoký rozstřik, nestabilita elektrického oblouku či velké vnesené teplo. Tyto problémy je možné snížit použitím modifikovaných procesů metody MIG/MAG, které sníží vnesené teplo a mají bezrozstřikový charakter procesu. Výzkumné práce jasně ukazují, že zmíněné modifikace procesu MIG/MAG 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 tloušťěk stěn, jemnější mikrostruktura.

10

Použitelnost základních materiálů je omezena použitou metodou svařování, tak aby byl

navařovaný materiál dostatečně chráněn proti účinky okolního prostředí. Tzn. že při správné volbě metody lze zpracovávat všechny běžné konstrukční kovové materiály a jejich slitiny. U některých typů speciálních materiálů je vhodné upravit teplotní režim a předepsat např. teplotu interpass mezi jednotlivými vrstvami návaru (a případně je možné zařadit i speciální režim „válcování“ navařených vrstev), obdobně jako při „klasickém“ svařování.

V porovnání s běžnými konvenčními procesy výroby, umožňuje WAAM flexibilní výrobu

různých typů konstrukcí a již zmíněný široký výběr materiálů, vyrobitelnost součástí různých 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.

Obr. 11 – Typické příklady výrobků vytvořených metodou WAAM (a) šikmé stěny – skosení pod různými úhly (ocel); (b) zakřivené stěny (ocel);

(c) vodorovné stěny (hliník); (d) křížení stěn (hliník); (e) uzavřené půlkruhy (ocel) [7]

Vzhledem k výsledné kvalitě povrchu, tvořenému návarovým materiálem je obvykle nezbytnou dokončovací aplikací obrábění (viz obr. 12), včetně oddělení od podložky na které se návar vytváří. Nicméně technologie se uplatňuje zejména u tvorby odlehčených struktur s proměnným průřezem nebo při tvarově komplikovanějších výrobcích ze speciálních materiálů – např. i vysokopevnostních ocelí (viz obr. 13).

11

Obr. 12 – Ukázka dokončovacích prací po navaření (vlevo) a dílu s variabilní tloušťkou (vpravo)[7]

Obr. 13 – příklady aplikaci metody WAAM (vpravo – jeřábový hák vytvořený ve firmě Huisman)[13] Použití hybridních technologií AM

Určitým alternativním řešením, které může eliminovat některé nevýhody procesu WAAM, může u vybraných aplikací spočívat v nasazení tzv. technologie Hybrid manufacturing (HM) – kombinující plnohodnotnou technologii obloukového navařování kovů (modifikovanou metodou MIG/MAG) a plnohodnotnou obráběcí technologii (např. pomocí frézování až v 5 osách).

Jedním z možných řešení je i první vyvinutý stroj této koncepce v ČR (vyvinut společností Kovosvit Mas ve spolupráci s Ústavem výrobních strojů resp. Výrobním centrem pro strojírenskou techniku a technologii na Fakultě strojní, ČVUT v Praze). Jedná se o 5-osý obráběcí stroj s plně integrovaným systémem obloukového navařování, pomocí modifikované technologie MIG/MAG.

Obr. 14 – Hybridní obráběcí stroj s možností AM – WELDPRINT MCV 5X (vlevo) a pracovní

prostor s vysunutou svařovací hlavou (vpravo)[14] Zařízení je schopno navařit požadovaný tvar pomocí drátového přídavného materiálu, přičemž

je schopno postupným obráběcím procesem (mezi jednotlivými vrstvami návaru) připravit vhodnou plochu pro další průběh navařování (změna aditivní technologie na obráběcí může proběhnout za

12

méně než 4 s). Výhodou je i instalovaný systém chlazení obrobené plochy i návaru s nastavitelnou hodnotou průtoku, vysokotlakým středovým chlazením nástroje s nastavitelnou hodnotou tlaku, teplotní stabilizací řezné emulze a vysokotlakým konturovým sušením a čištěním dílce vzduchem. Tím je možné dosáhnout dobré opakovatelnosti návaru a zároveň i okamžité obrobení do požadovaného tvaru a přesnosti, které není možné dosáhnout pomocí navařování. Zařízení je dále vybaveno speciálním odsáváním pracovního prostoru umožňujícího odsávat a filtrovat jak mokrou atmosféru vznikající při vysokotlakém středovém chlazení řezu, tak i suchou atmosféru výparů vznikajících při navařování kovů. Pracovní prostor je snímán kamerou (s visiportem a vizualizací záběru) a termokamerou (pro teplotní kontrolu a analýzu) [15].

Kapotáž stroje obsahuje dvojité dveře umožňující buď standardní práci s vizuálním pohledem

obsluhy skrze bezpečnostní sklo do pracovního prostoru při operacích obrábění, nebo při uzavření druhých krycích dveří operaci navařování. Součástí je i nástrojová a obrobková sonda pro procesní měření a možnost záznamu procesních parametrů pro analýzu a kontrolu technologických parametrů v reálném čase (např.: poloha os, programované rychlosti, parametry aditivní technologie, číslo součásti, číslo návaru, a další) s cílem opakovatelnosti technologie či validace provedené technologie.

Díky instalovaným zařízením a použitelným výrobním technologiím je pořizovací cena větší než

u klasického systému WAAM (s použitím univerzálního průmyslového robota a konvenčního obloukového svařovacího zdroje) a nejedná se o čistě kontinuální proces „navařování“. Limitace je i pracovním prostorem a způsobem upnutí a pohybu součástí. Nicméně pro řadu aplikací může být přímé propojení „navařování“ a následného obrábění výhodné. Typické ukázky výrobků této technologie jsou na obr. 15.

Obr. 15 – Typické výrobky HM technologie vyrobené na stroji Weldprint MCV 5X [15]

Hodnocení kvality WAAM procesu

Kvalitu výsledného návaru bude ovlivňovat velké množství faktorů, od počáteční volby

materiálů a technologie navařování, přes způsob řízení a pohybových možností strojního vybavení až

k nastavení konkrétních parametrů procesu, které budou ovlivňovat vnesené teplo a tím i strukturní a

mechanické vlastnosti návaru. Velkou roli bude hrát i rozměry, tvar a celková geometrie navařovaných

výrobků. Stručné vyjádření faktorů, které mají významný vliv je graficky znázorněno na obrázku č. 16.

13

Obr. 16 – Faktory ovlivňující stabilitu procesu WAAM [17]

Hodnocení vlastní kvality návarů vzniklých pomocí WAAM se nejčastěji popisuje především

dvěma parametry, které lze na vytvořených návarech hodnotit. Těmi jsou: efektivní tloušťky stěny (EWT – effective wall thickness) a vlnitost povrchu (SW – surface waviness) - viz obr. 17.

Obr. 17 – Hodnocení návarů pomocí parametrů EWT a SW [1,7] – vlevo a

ukázka měření reálného vzorku – vpravo [9] Na kvalitu výroby a tím i na velikosti výše zmíněných parametrů mají, dle již publikovaných

výzkumných prací, významný vliv nastavené parametry procesu. Těmi jsou především: rychlost podávání svařovacího drátu, průměr svařovacího drátu a rychlost pohybu svařovacího hořáku. Parametr efektivní tloušťky stěny (EWT) se při zvyšující rychlosti navařování snižuje a při zvyšování rychlosti podávání drátu zvyšuje. Ukazatel vlnitosti povrchu (SW) se značně snižuje s rychlostí navařování v intervalu 0,1÷0,2 m/min, dále se jeví konstantně. Mírný vliv na tento parametr bude mít i měnící se průměr svařovacího drátu [7]. Příklady experimentálních prací V současné době probíhají intenzivní výzkumné práce, mající za cíl zmapovat vliv jednotlivých výše zmíněných faktorů na kvalitu procesu WAAM. Dále jsou ukázány příklady dosažených výsledků. Volba technologie a nastavení parametrů procesu:

Motivací pro modifikaci svařovacích procesů jsou především: snížení rozstřiku, vneseného tepla a dosažení stability elektrického oblouku. U klasického svařování zkratovým přenosem svarového kovu při MIG/MAG svařování (krátkým obloukem), je téměř celá energie využitá pro roztavení drátu a

14

následné uvolnění kapky. Během hoření oblouku současně vyzářená energie produkuje teplo přecházející jak do přídavného, tak i do základního materiálu. Redukovaný rozstřik a vnesené teplo je regulováno modifikovaným zkratovým přenosem např. IAC (Inteligent Arc control), který je charakteristický vyšší intenzitou proudu při oddělení kapky. Vyšší intenzita zkratového proudu by ale za nezměněné doby zkratu způsobila ještě větší rozstřik. Pro IAC je typické zkrácení doby trvání zkratového proudu.

Obr. 18 – Porovnání průběhu zkratového procesu (tečkovaná křivka) a teoretického průběhu IAC procesu (plná čára) [16].

Na Obr. 18 je vyobrazeno porovnání těchto dvou procesů. Oblast A představuje oblast fáze oblouku, oblast B vyjadřuje fázi zkratu. Klasický zkratový proces je vyobrazen tečkovanou čarou a je možné pozorovat zvyšující se hodnotu proudu až do chvíle oddělení kapky a pokles až do fáze následujícího zkratu. Teoretický průběh IAC je naznačen plnou čarou. Zde je vyobrazen výrazný nárůst proudu za kratší čas a následný rychlý pokles na nižší úroveň proudu, než která je při fázi oblouku – to zajistí zamezení rozstřiku. Dále je proud udržován na nízké hodnotě až do oddělení kapky a následně dojde k jeho navýšení pro udržení stability oblouku.

Dalším obdobným procesem může být např. CMT (Cold Metal Transfer) který svým řešením nepřináší pouze modifikaci v průbězích hodnot proudu a napětí, nýbrž i mechanické řízení dopředného, ale i zpětného pohybu přídavného materiálu během svařovacího procesu. Během klasických svařovacích procesů se drát pohybuje vždy vpřed, až dojde ke kontaktu se svařovaným materiálem, následně se vzniklým zkratovým proudem docílí odtavení kapky přídavného materiálu do tavné lázně. U CMT je celý proces řízen digitálně. První fáze procesu probíhá stejně jako u všech klasických MIG/MAG procesů, ale jakmile dojde ke zkratu, digitálně řízený svařovací obvod zareaguje signálem do podávacího zařízení, které zatáhne drát zpět, což značně podpoří uvolnění kapky, na čemž se podílí i povrchové napětí tavné lázně. Zatažením drátu zpět od základního materiálu se značně snižuje doba mezi vznikem a přerušením zkratu oproti klasickým svařovacím procesům. K přenosu materiálu dochází na velmi nízké úrovni zkratového proudu, vnáší se tak do materiálu méně tepelné energie. Délka svařovacího oblouku je u CMT řízena rychlostí a dobou zatažení svařovacího drátu. Jedná se tedy o řízení mechanickými veličinami namísto svařovacím napětí. Např. při oscilačním pohybu svařovacího drátu o frekvenci 130 Hz (dle konkrétního typu zařízení) je délka oblouku nastavována 70krát za sekundu, proto je nutné zajistit vysokorychlostní komunikaci mezi všemi komponentami systémového řešení svařovací sestavy. Způsob programování dráhy pohybu robota:

Způsob programování pohybových drah probíhá stejně, jako při tvoření standardního svařovacího programu. U technologie WAAM se pouze naprogramovaná dráha „zacyklí“, aby bylo možné „stavět návar do výšky“. V současné době je tedy bez problému možné naprogramovat výsledné tvary o jednoduché geometrii, pro složitější tvary se předpokládá využití CAD/CAM programů pro tvorbu složitějších struktur.

Jedním z problémů při tvorbě drah svařovacího hořáku je bezpochyby charakter kontinuálního přizvedávání hořáku na každou novou vrstvu návaru. Vzhledem k trendu využívat pro WAAM modifikované digitálně řízené svařovací procesy může každý pohyb, který není plynulý, vnášet do procesu chyby. Např. procesy, které jsou řízené mechanicky a úpravou rychlosti podávání svařovacího drátu stabilizují a zajišťují konstantní hodnoty svařovacího proudu a napětí. Pokud by docházelo k zvedání hořáku skokově, musí se na malou chvíli zastavit, přizvednout se o výškový krok a následně

15

pokračovat po naprogramované dráze. V tu chvíli se svařovací zdroj snaží změnu velikosti svařovacího oblouku korigovat zvýšenou rychlostí podávání drátu, což způsobí zbytečně velké nanesení přídavného materiálu do jednoho místa a tato chyba se při každém cyklu opakuje (viz obr. 19).

Obr. 19 – Výrazné napojení v místě zvyšování výšky návaru [9]

Druhou možností je plynulé zvedání svařovacího hořáku, které může být naprogramováno hned několika způsoby. Pokud by se jednalo o kruhový pohyb, první možností může být postupné zvedání o naprogramovaný výškový krok během jedné čtvrtiny kružnice. Druhým způsobem může být samozřejmě dráha opisující tvar spirály tak, že ke stoupání dochází postupně během celé jedné vrstvy.

Jelikož svařování není zcela konstantní proces, nabízí se použít pro technologii WAAM nejrůznější senzorická řešení pro zajištění stability procesu. Jedním z řešení může být použití senzoru sledující hodnoty napětí na elektrickém oblouku spolu se softwarovým řešením řídící jednotky robota, která pracuje se změřenými hodnotami a stabilizuje výšku oblouku korekcí naprogramované dráhy. Např. firma FANUC nabízí funkci T.A.S.T. (Trough Arc Seam Tracking) pomocí které je možné během celého procesu udržet konstantní velikost výletu svařovacího drátu a stanovit konstantní svařovací parametry, podle kterých bude robot provádět korekci. Standardně se tento systém využívá pro dlouhé svary, kde i malá úhlová odchylka ve výsledku způsobí nesprávné vytvoření svaru z hlediska dodržení svarové mezery, jelikož lze sledovat hodnoty a upravovat dráhu jak ve vertikálním tak i horizontálním směru. Tento senzor se také často používá k eliminaci průhybů u dlouhých svarů (obvykle koutových) během svařování.

Obr. 20 – Princip senzoru TAST (vlevo)[17] a výsledky vzorků a, c) při použití senzoru a b, d) bez použití senzoru

Vliv přídavného materiálu a ochranných atmosfér na kvalitu návaru:

Dalšími důležitými proměnnými celé technologie WAAM mohou být i použitý přídavný materiál a ochranná atmosféra (zejména u metody MIG/MAG). Pro experimenty na Ústavu strojírenské technologie, FS, ČVUT v Praze byly použity různé typy přídavných materiálů firmy ESAB (jako např. OK AristoRod 12.50, nebo vysokopevné ocelové PM OK AristoRod69 a 89) a bylo pomocí nich dosaženo dobrých výsledků, jak z hlediska opakovaného zapálení elektrického oblouku, stability hoření oblouku, tak i výsledných mechanických vlastností navařených vzorků.

16

Jelikož je cílem navařit co nejvíce kontinuálních vrstev, je potřeba vedle použití digitálně řízeného svařovacího procesu nutné správně zvolit zvolit i ochrannou atmosféru (v závislosti na navařovaném materiálu), za účelem dosažení dostatečné kvality svarového (návarového) kovu. Pro svařování (a navařování) se v současné době nejčastěji používají směsné plyny: argon s oxidem uhličitým, kyslíkem nebo héliem. Je nutné si uvědomit vliv jednotlivých prvků na svarovou lázeň a především jejich vliv na vnesené teplo díky své tepelné vodivosti. Argon má ze všech zmíněných ochranných plynů nejnižší tepelnou vodivost, následuje kyslík, který ale zvyšuje tekutost svarové lázně, dále oxid uhličitý a nejvyšší tepelnou vodivost má z výše zmíněných plynů helium. Z provedených experimentů vyplývá, že použití helia není zcela vhodné, naopak ochranná atmosféra s obsahem 98 % argonu a 2 % oxidu uhličitého bez dalších příměsí je vzheldem ke geometrické stabilitě kontinuálního návaru vytvořeného z klasického drátu G3Si nejvhodnější [18]. Závěr Článek obecně pojednává o metodách AM používaných pro zpracování kovových materiálů, popisuje metody využívajících laserový paprsek (SLS + DMLS, SLM, LMD), elektronový svazek (EBM) a porovnává s metodami SMD, kde je věnována pozornost zejména variantě označované jako WAAM. Tato metoda používá jako tepelný zdroj elektrický oblouk a jako pohybový mechanismus nejčastěji univerzální průmyslové roboty. Metoda WAAM je představena jako levné alternativní řešení aditivní výroby pro tvarově jednodušší součásti větších rozměrů, jejich velikost nejsme schopni v současné době zpracovat jinými metodami AM. Dále jsou popsány faktory, které mají vliv na kvalitu a stabilitu výrobků a parametry EWT a SW, kterými se hodnotí kvalita provedených návarů. V poslední části příspěvku jsou stručně uvedeny výsledky jednotlivých experimentů, které mapují vliv vybraných faktorů na kvalitu, jejichž dílčí závěry jsou uvedené přímo v textu. Poděkování: Příspěvek vunikl na základě podkladů a prací vytvořených v rámci řešení projektu RPMT ČVUT v Praze, FS v roce 2016 a projektu CAAT (center advanced aerospace technologies). This publication is under the Center advanced aerospace technologies, reg. No. CZ.02.1.01 / 0.0 / 0.0 / 16_019 / 0000826, which is co-financed by the European Regional Development Fund through the Operational Program Research, development and education. Použité literární zdroje: [1] Chen, J.: Hybrid design based on wire and arc additive manufacturing in the aircraft industry, Thesis, Cranfield university, 2012

[2] 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), pp 1146–1158

[3] Direct Metal Laser Sintering. [online], [cit. 28. 04. 2011]. Dostupné na World Wide Web: .

[4] Leyens, Christoph, Brückner a Steffen Nowotny. Additive laser processes

for applications in aircraft engine technologies. Fraunhofer IWS, Institute for Material

and Beam Technology Dresden, Germany, 2014

[5] Gu, J., Cong, B., Ding, J. Williams, S.,W. Zhai, Y.: Wire+arc additive manufacturing of aluminium, Cranfield University

[6] 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, pp 101-110

17

[7] Kolařík, L. Technologie additive manufacturing pomocí konvenčních i speciálních metod navařování WAAM - Wire + Arc Additive Manufacture, Interní podklady projektu RPMT 2016, ČVUT v Praze

[8] http://www.misan.cz/concept-laser/katalog-detail/m2-cusing-concept-laser-m2-cusing-single--multilaser/

[9] Gurčík, T.: Stabilita procesu technologie WAAM, Diplomová práce, FS, ČVUT v Praze, Praha, 2018

[10] http://www.arcam.com/technology/electron-beam-melting/hardware/

[11] Martina, F., S.W. Williams, and P.A. Colegrove, 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. p. 490– 496.

[12] Building large metallic parts with wire arc additive manufacturing. INSIDE METAL ADDITIVE MANUFACTURING [online]. b.r. [cit. 2018-06-12]. Dostupné z: http://www.insidemetaladditivemanufacturing.com/blog/building-large-metallic-parts-with-wire-arc-additive-manufacturing

[13] https://www.konstrukter.cz/huisman-uspesne-otestoval-prvni-jerabovy-hak-na-svete-vyrobeny-3d-tiskem/

[14] https://www.kovosvit.cz/weldprint-mcv-5x-p44.html

[15] Společnost KOVOSVIT MAS, a.s., představuje nový obráběcí stroj WeldPrint 5AX, umožňující hybridní výrobu kombinující operace obrábění a navařování kovu.

První stroj v kategorii Hybrid Manufacturing vyvinutý plně v ČR, Tisková zpráva Kovosvit MAS + ČVUT v Praze, Sezimovo ústí, 2017

[16] Automig [online]. b.r. [cit. 2018-03-30]. Dostupné z: http://automig.cz/o-svarovani/funkce/iactm-intelligent-arc-control]

[17] Gurčík, T., Kovanda, K.: Technologie WAAM s využitím off-line 3D simulací robota, STČ 2017, ČVUT v Praze, FS, Praha, 2017

[18] Gurčík, T., Rohan, P.: INFLUENCE OF SHIELDING GAS ON GEOMETRICAL QUALITY OF WAAM TECHNOLOGY, Metal 2019, Brno, 2019

[19]McAndrew, Anthony R., Marta ALVAREZ ROSALES, Paul A. COLEGROVE et al. Interpass rolling of

Ti-6Al-4V wire + arc additively manufactured features for microstructural refinement. Additive

Manufacturing [online]. 2018, 21, 340-349 [cit. 2018-06-04]. DOI: 10.1016/j.addma.2018.03.006.

ISSN 22148604. Available from: http://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S2214860417306085

[20] Kolařík, Ladislav, Jan Suchánek a Marie Kolaříková. Navařování metodou WAAM. MM Industry

spektrum. 2018, (12), 60. ISSN 1212-2572.

http://automig.cz/o-svarovani/funkce/iactm-intelligent-arc-controlhttp://automig.cz/o-svarovani/funkce/iactm-intelligent-arc-control