Udoskonalone metody wytwarzania metalowych części 3D
Inspiracją dla finansowanego ze środków UE projektu DREAM była konferencja „Fabryki przyszłości” zorganizowana w 2014 roku przez włoską prezydencję UE w Bolonii. Podczas konferencji rozwój technologii spiekania w złożu proszkowym (ang. powder bed fusion, PBF) został określony jako priorytet przemysłowy. Technologia PBF jest najnowocześniejszą metodą produkcji, która wykorzystuje drukarki 3D do warstwowego nakładania materiału. Źródło ciepła, zwykle laser, jest stosowane do topienia proszkowego materiału i jego utrwalania, co umożliwia tworzenie złożonych, trójwymiarowych kształtów. Technika ta jest powszechnie stosowana w przemyśle motoryzacyjnym do produkcji części samochodowych, a w dziedzinie medycyny do tworzenia spersonalizowanych protez. „Kluczowym wyzwaniem omawianym na konferencji było przypadkowe mieszanie proszków metali”, wyjaśnia Elena Bassoli, koordynatorka projektu DREAM i profesor inżynierii na włoskim Uniwersytecie w Modenie i Reggio Emilia. „Dostrzegliśmy potrzebę zidentyfikowania i ilościowego ujęcia tego problemu, aby zwiększyć niezawodność technologii. Znalezienie nowych sposobów na usprawnienie procesu PBF mogłoby pomóc w produkcji lżejszych komponentów, o większej trwałości zmęczeniowej”.
Usprawnianie procesów przemysłowych
Prace w ramach projektu DREAM rozpoczęły się w październiku 2016 roku i były skoncentrowane na technikach laserowego PBF komponentów tytanowych, aluminiowych i stalowych w branży protetycznej, przemyśle motoryzacyjnym i formowaniu przemysłowym. Celem było wprowadzenie ulepszeń takich jak redukcja masy, zwiększenie szybkości produkcji, redukcja kosztów materiałów i poprawa wydajności zmęczeniowej. Kluczem do realizacji było wdrożenie oprogramowania do sterowania maszyną do spiekania w złożu proszkowym. Zostało ono opracowane specjalnie w celu zarządzania wpływem ciepła lasera na niestabilność i zmęczenie materiału. „Zwróciliśmy szczególną uwagę na stosowane surowce, aby uniknąć zanieczyszczenia proszkiem i osiągnąć przemysłowo istotny poziom wydajności”, mówi Bassoli. „Każdy z procesów dla każdego materiału został następnie zatwierdzony i ustandaryzowany”.
Szybsza produkcja lżejszych elementów
Zakończony w grudniu 2019 roku projekt przyniósł imponujące rezultaty, takie jak produkcja lżejszych komponentów oraz zwiększenie wydajności procesu. „Udało nam się zredukować koszty produkcji i skrócić czas wytwarzania, jak i poprawić jakość surowych proszków metali poprzez opracowanie nowych procedur identyfikacji oraz ilościowego określania zanieczyszczeń krzyżowych”, opowiada Bassoli. W trakcie realizacji projektu opracowano także i pomyślnie przetestowano urządzenie do usuwania zanieczyszczeń z surowych proszków metali. Innowacje opracowane w ramach projektu DREAM zostały ostatecznie przetestowane w trzech testowych studiach przypadków użytkowników końcowych: aluminiowe elementy silnika były testowane przez włoskiego producenta samochodów Ferrari, tytanowe elementy protetyczne – przez Adler Ortho, a stalowe formy – przez włoską firmę Mold & Mold. „Dzięki przeprojektowaniu części do samochodu, jej masa została zmniejszona o 17 %”, tłumaczy Bassoli. „Wybrany przypadek testowy spełniał wszystkie wymagania konstrukcyjne narzucone przez użytkownika końcowego, takie jak sztywność, wytrzymałość i odporność na zmęczenie”. Na produkcję trzpienia udowego, elementu protetycznego stosowanego w protezach stawu biodrowego, zużyto 13 % mniej materiału, dzięki czemu proteza stała się lżejsza i bardziej elastyczna. Natomiast producent form był w stanie osiągnąć bardziej efektywne chłodzenie przy znacznej redukcji kosztów podczas produkcji. „Jednym z głównych atutów tego projektu było zbudowanie konsorcjum, które angażowało wszystkich uczestników łańcucha wartości, począwszy od producenta surowców i maszyn aż po użytkownika końcowego”, mówi Bassoli. „Współpraca między partnerami była tak udana, że możemy teraz myśleć o kontynuowaniu naszych prac, a także o budowaniu relacji z myślą o przyszłych działaniach”.
Słowa kluczowe
DREAM, 3D, laser, samochodowy, protetyka, przemysłowy, formowanie, aluminium, tytan, stal
