Прямое осаждение металла (DMD)

Использование технологии наплавки прямым осаждением металлов (DMD) на ковочных штампах для горячей объемной штамповки

Что такое прямое осаждение металла (DMD)?

Прямое осаждение металла (DMD) — это технология изготовления порошковых струйных добавок (AM), которая может быть использована для недорогой сборки, ремонта, наплавки и реконфигурации ковочных штампов. Этот метод также использовался для добавления таких деталей, как фланцы и выступы, к кованным деталям для улучшения их функциональности. В этой статье используются четыре тематических исследования, чтобы детально изучить эту технику и сравнить ее достоинства и ограничения с традиционными и другими методами AM / сварки.

Рисунок 1. а) Порошок, защитный газ и лазерное сопло доставки; б) Замкнутая система прикреплена к соплу
Рисунок 1. а) Порошок, защитный газ и лазерное сопло доставки; б) Замкнутая система прикреплена к соплу

Успех метода прямого осаждения металла (DMD) заключается в разработке его порошка, защитного газа и сопла для доставки лазера (рис. 1а). Порошковый металл направляется в конус так, что его наконечник пересекается с подложкой. Мощный лазерный луч подается через ось конуса, чтобы обеспечить энергию для плавления и сплавления порошкообразного металла с подложкой. Вокруг металла создается завеса из защитного газа, которая защищает бассейн расплава от атмосферных газов.

Во время осаждения лазер создает бассейн расплава на подложке. Добавление порошкового металла в ванну с расплавом увеличивает его объем и создает валик. Перемещая сопло относительно подложки, можно создавать сложные узоры. Укладывая эти рисунки друг на друга, можно сформировать трехмерные фигуры. Изменения скорости охлаждения из-за изменения геометрии детали и профиля температуры детали могут влиять на толщину осаждаемого слоя.

Чтобы противостоять этому эффекту, такие компании, как DM3D Technology, используют системы с обратной связью. Как показано на рисунке 1b, три камеры с зарядовой связью (ПЗС) контролируют высоту ванны расплава в режиме реального времени и корректируют параметры процесса для поддержания постоянной толщины слоя.

Форсунки обычно устанавливаются в системе на базе ЧПУ, что позволяет очень точно контролировать их движение во время процесса DMD. Когда требуется больше степеней свободы, насадки также могут быть установлены на роботизированные руки. Поскольку большинство сплавов можно наносить с помощью только локализованного экранирования, обеспечиваемого соплом, технология DMD может обрабатывать детали, которые намного больше, чем технологии лазерного плавления в порошковом слое (LPBF) и технологии AM-струйной струйной печати. Для тех сплавов, которые более подвержены атмосферному загрязнению, процесс осаждения также может быть заключен в камеру с инертным газом.

Пример 1: Недорогая сборка

Рисунок 2. а) Заготовка из инструментальной стали S7; б) Прямое осаждение металла (DMD) стеллита; в) после процесса DMD; г) после DMD и окончательной обработки
Рисунок 2. а) Заготовка из инструментальной стали S7; б) Прямое осаждение металла (DMD) стеллита; в) после процесса DMD; г) после DMD и окончательной обработки

Тепловые трещины образуются в результате быстрого нагрева и охлаждения поверхности. Поскольку ковочные  штампы для горячей объемной штамповки проходят большие термические циклы во время работы, проверка нагрева является распространенной проблемой для кузнечной промышленности. Эта проблема может быть решена путем изготовления ковочных штампов из термостойкого материала, который часто дорог и труден для обработки.

Более дешевый подход к противодействию трещинам, как следствие нагрева, состоит в том, чтобы изготовить большую часть матрицы из недорогого материала и применять термостойкий материал только в тех областях, которые наиболее подвержены трещинам. Данная компания смогла продемонстрировать эту методологию, используя в качестве субстрата недорогую и простую в обработке заготовку S7 (рис. 2а).

Сплав кобальта / хрома, названный Stellite, был тогда осажден на поверхностях, которые, как ожидали, столкнутся с большими тепловыми циклами (рисунок 2b). Этот сплав известен своей высокотемпературной твердостью. На рисунке 2c показана матрица после процесса DMD, а на рисунке 2d показана окончательная обработка матрицы. Процесс DMD занял примерно один час.

Ковочный штамп, обработанный с использованием DMD, был дешевле, чем ковочный штамп, изготовленный традиционным способом, из-за более низких затрат на материалы и обработку. Из-за легкости обработки материала и доступности, время выполнения для изготовления матрицы было сокращено на 30%. Несмотря на то что срок службы штамповочных штампов, изготовленных традиционным способом, составлял ~ 5000 циклов, обрабатываемый штамп DMD работал в течение 19 000 циклов. Это увеличение срока службы было связано с тонкой микроструктурой, которая создается во время процесса DMD.

Пример 2: Реконфигурация

Рисунок 3. а) Оригинальная ковочная матрица; б) ковка, реконфигурированная с использованием процесса DMD
Рисунок 3. а) Оригинальная ковочная матрица; б) ковка, реконфигурированная с использованием процесса DMD

Из-за изменений в технических требованиях или уроках, извлеченных из производства, часто требуется модификация  инструмента в кузнечно-прессовом производстве. Рисунок 3а иллюстрирует модель гипотетического ковочного штампа, который устарел из-за изменений в конструкции. Чтобы перенастроить матрицу с использованием DMD, ее сначала необходимо обработать до формы, аналогичной заготовке, показанной на рисунке 2a. Затем он проходит процесс DMD и обрабатывается до окончательной формы, показанной на рисунке 3b. Преимущества использования МДД в ​​этом случае заключаются в сокращении времени выполнения заказа и затрат на переоборудование.

Пример 3: Наплавка

Рисунок 4. Кузнечный штамп
Рисунок 4. Кузнечный штамп

На рисунке 4 показан ковочный штамп для обрезки, используемый для обрезки облоя после ковки. Во время работы кромки триммера подвергаются большему износу, чем остальная часть матрицы. Когда эти края повреждены, триммер выходит из эксплуатации.

Крайне желательно сделать обрезную кромку из очень износостойкого материала. Чтобы жестко обработать обрезную матрицу, показанную на рисунке 4, на кромке обрезки была обработана фаска. Как показано на рисунке 5а, DMD использовался для нанесения стеллита на скошенную поверхность. Затем поверхность DMD была обработана до окончательной формы.

Рисунок 5. а) Схема поперечного сечения кромки обрезки после DMD; б) Микрофотография поперечного сечения после DMD и механической обработки; в) профиль твердости поперечного сечения
Рисунок 5. а) Схема поперечного сечения кромки обрезки после DMD; б) Микрофотография поперечного сечения после DMD и механической обработки; в) профиль твердости поперечного сечения

На рисунке 5б показано, что осаждение стеллита и его граница раздела с подложкой H13 не имеют дефектов, таких как трещины, пористость или расслоение. Это свидетельствует о превосходной связи между подложкой и осажденным материалом. Это также говорит о том, что параметры процесса, используемые для МДД, были адекватными. Профиль твердости (рис. 5в) показывает, что стеллиту удалось придать основную массу высокой твердости.

После того, как гравюра ковочного штампа, показанная на рисунке 4, получила твердую поверхность, срок службы увеличился на 260% по сравнению с аналогами, изготовленными традиционным способом. Улучшенные характеристики были обусловлены высокой износостойкостью стеллита, хорошим напылением, отличным межфазным соединением между стеллитом и Н13 и тонкой микроструктурой, присущей процессу МДД.

Пример из практики 4: Ремонт

Рисунок 6. Верхняя половина ковочного штампа рычага управления: а) после МДД; б) после DMD и механической обработки
Рисунок 6. Верхняя половина ковочного штампа рычага управления: а) после МДД; б) после DMD и механической обработки

Ковочные штампы для горячей объемной штамповки часто изготавливаются из материалов, устойчивых к высокой термостойкости и износостойких материалов, которые зачастую довольно дороги. С увеличением размера ковочного штампа увеличивается и стоимость изготовления. Например, из такого материала было очень дорого изготовить ковочный штамп размером примерно 36 x 36 x 10 дюймов, показанную на рисунке 6.

Ремонт ковочных штампов для продления срока их службы может сократить время выполнения заказа и компенсировать первоначальные производственные затраты. Головка, показанная на рисунке 6, была обработана для удаления областей, поврежденных во время операции ковки. Затем на обработанные участки была нанесена высоколегированная высокопрочная инструментальная сталь CPM1V. После того, как верхняя половина матрицы была отремонтирована, такая же процедура была применена и к нижней половине матрицы. Процесс DMD занял приблизительно пять часов и смог продлить срок службы матрицы на 91%.

Заключение

Было доказано, что технология DMD снижает стоимость изготовления для перенастройки, наплавки и ремонта ковочных штампов. DMD может быть экономически выгодным решением, способным достичь свойств, которые сопоставимы или лучше, чем у деформируемого материала. Кроме того, технология DMD может использоваться для больших деталей и в производственных условиях.

Яндекс.Метрика Metalweb.ru