Аддитивное производство керамических стержней

 12 Август 2020

Лидирующий производитель аддитивной керамики

3D печать керамических стержней

 

 

Стержни для литья охлаждаемых лопаток являются неотъемлемым элементом в производстве лопаток турбин для авиации, наземных и иных газовых турбин. Внутренняя структура охлаждения лопатки турбины облегчает понижение ее температуры, позволяя тем самым сократить расход топлива, повысить эффективность турбины, а также уменьшить выбросы. Потребность в сложном дизайне стрежня значительно возросла наряду с требованиями покупателей к меньшим, более эффективным и экономичным двигателем, работающим при повышенных температурах, извлекая предельную выгоду от существующих технологий сплавов.

 

Эти новые конструкции стержней могут оказаться сложными при изготовлении традиционными методами из-за наличия сети внутренних каналов и полостей, обеспечивающих увеличенную площадь поверхности обмена и воздушный поток для охлаждения лопатки.

 

Как технология 3D-керамической печати может воздействовать на производство стержней для литья охлаждаемых лопаток в будущем?

 

3DCERAM разработала процесс производства керамических стержней для литья охлаждаемых лопаток. Традиционно, стрежни являются неотъемлемым и одновременно сложным процессом, состоящим из нескольких технологических этапов. Керамический стержень — это жертвенный материал, который выступает в роли негатива при заливке сплава.

 

 

По сей день производство стержней является длительным и трудоемким процессом. В наше время конструкции стержней становятся все более и более сложными. Для создания такого керамического стержня иногда требуется изготовить несколько частей стержня, а затем собрать их вручную. Возникает большая вероятность возникновения повреждений в процессе производства, в основном при сборке, что может привести к чрезвычайно высокому проценту отбраковки. Время разработки новых форм стержней может быть довольно длительным из-за необходимости в сложных литейных формах, что приводит к ограничению возможностей изменения стержней на стадии проектирования и внедрения.

 

Виды литья

 

Традиционно используется 3 метода литья : равноосное литье, литье методом направленной кристаллизации (НК) и  монокристальное литье (МЛ).

  • Равноосное литье: самый дешевый и быстрый метод, при котором внешние стенки формы нагревают чуть ниже температуры затвердевания сплава. Как только расплавленный сплав заливается, он быстро схватывается, создавая однородную равноосную зернистую структуру.
  • Литье методом направленной кристаллизации: основано на том же принципе, что и равноосное литье, но стенки формы не нагреваются равномерно, определенная разница температуры сохраняется на стенках во время заливки расплавленного метала. Это приводит к микроструктуре из длинных кристаллов, ориентированных по оси лопатки, усиливая устойчивость лопатки турбины к ползучести во время эксплуатации.
  • Монокристальное литье: похоже на литье НК, однако конструктив формы разработан для ограничения потока расплавленного сплава, и рост кристалла строго контролируется, в результате чего улучшаются высокотемпературные свойства и повышаются характеристики двигателя.

 

При производстве стержней необходимо учитывать некоторые ограничительные условия:

  • Точность размеров +/-0.1 мм
  • Структурная прочность
  • Жесткость поверхности
  • Пористость материала

 

Все эти параметры контролируются при 3D-печати стержней.

3D-печать открывает новые перспективы для промышленного производства. Помимо экономии времени и увеличения продуктивности, прорывные технологии 3DCERAM предоставляет следующие преимущества:

  • Гибкость дизайна
  • Возможность изготовления стержней
  • повышенной сложности
  • Быстрая разработка новых моделей
  • Оперативность и повышенная продуктивность
  • Увеличение рентабельности

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пример экономического анализа

Повышение продуктивности при изготовлении стержней — одно из основных преимуществ использования 3D печати. Благодаря оптимизации новых разработок, аддитивная технология дает возможность производить большое количество стержней за итерацию и, таким образом, увеличить рентабельность в среднесрочной перспективе.

Ниже приведен пример для стержней стандартного размера:

CERAMAKER ® 900. Платформа для печати 300 мм x 300 мм. Используемый материал: 3DMIX оксид алюминия, Silicore.

Размер производимых стержней: 90 мм x 35 мм x 15 мм.

 

Разница в цифрах определяется способом выращивания. 16 стержней можно производить горизонтально на конформаторах. Это уменьшит время печати, но увеличит удельные затраты на стержень.

Второй способ печати – вертикально, по новой, запатентованной, схеме, которая предполагает использование умной поддержки между каждым стержнем. Данный способ печати является уникальным и используется только на машинах 3DCERAM. Это оптимизирует технологию для серийного промышленного производства. 3DCERAM разработала решения под ключ, позволяющие производителям стержней для литья охлаждаемых лопаток выгодно внедрить гибкий и высокопроизводительный технологический процесс 3D печати стержней

 

CAD модель стержня                                                                            Напечатанный стержень после спекания

                                                                                         

 

Выбор материала

Выбор керамики, используемой для производства стержней, является очень важной частью производственного процесса. Есть несколько важных моментов, которые производители стержней учитывают при выборе керамики:

  • Тип сплава, используемого для изготовления стержня
  • Сложность стрежня
  • Химическая инертность материала стержня во время литья
  • Керамика должна хорошо выщелачиваться
  • Материал должен обладать низким коэффициентом теплового расширения (КТР) и относительно высокой механической прочностью

 

 

3DMIX                                        

3DCERAM разработал собственную гамму расходных материалов, 3DMix, для использования на 3D-принтерах моделей CERAMAKER®. Мы разработали ряд паст и суспензий для достижения оптимальных результатов печати оптических устройств. Эти материалы гарантируют качество изделия, не уступающее производству традиционными технологиями. 3DCERAM также оптимизирует данные материалы в соответствии со специфическими требованиями заказчиков в виде разработки керамической пасты на заказ. Данный подход позволил ряду заказчиков использовать свои «собственные» керамические порошки, используя при этом революционную технологию керамической 3D-печати.

 

3DCERAM предлагает следующие стандартные расходные материалы для наших принтеров и данных применений:

·         Оксид алюминия (AI203)

Используется для стержней для литья сплавов на основе никеля, кобальта, стали и титана. Обладает хорошей механической прочностью, может быть выщелачиваем с использованием химического раствора под давлением

·         Аморфный кварц (Si02)

Используется для литья сплавов на базе никеля и алюминия, при производстве сложных стержней, обладает высоким КТР и низкими механическими свойствами, легко выщелачивается с помощью химического раствора.

 

 

 

 

Паста 3DMix и напечатанные детали

·         Силикат алюминия (AL203-Si02)

Используется для равноосного литья с добавлением графита для облегчения выщелачивания стержня, присутствие оксида алюминия замедлит кристаллизацию, но также снизит механическую прочность стержня.

 

·         Silicore (диоксид циркония)

Пористый керамический материал с высокой механической прочностью, устойчив к высоким температурам, используется со всеми сплавами, кроме кобальта, стержень может быть трудно растворим из-за циркониевого компонента.

 

3DMIX по запросу

 

Наряду с этими материалами 3DCERAM предоставляет услуги разработки расходного материала по запросу, когда заказчик желает использовать свой собственный материал на принтерах CERAMAKER. Наша команда специалистов учтет потребности и требования заказчика. Процесс получения новой пасты для производства деталей:

  • Квалификация керамического порошка
  • Проверка реакционной способности материала после смешивания порошка со связующим
  • Оптимизация порошка и определение параметров машины.
  • Анализ пост-обработки
  • Изготовление тестовых изделий

Этот подход оказался привлекательным для производителей оптических изделий. Заказчики не меняли свои исходные материалы, чтобы приспособиться к новым технологиям. Здесь очень важно совместить наши знания и опыт с наработками наших потенциальных заказчиков, чтобы добиться идеальной синергии между возможностями принтера и характеристиками требуемых для того или иного применения керамических материалов.

Компания 3DCERAM получила заказ от европейского производителя из аэрокосмической отрасли на разработку пасты с использованием порошка заказчика. Через 12 месяцев после получения данной задачи и отработки материала, стержни были изготовлены с успехом. Отличная командная работа!

 

Заключение

Производство керамических стержней до сих пор было относительно закрытым рынком, с небольшим количеством инноваций за последние несколько десятилетий. Технология керамической 3D-печати может оптимизировать это производство. 3D-печать облегчит производство сложных стержней с максимальной долгосрочной выгодой для заказчика.

 

Согласно анализу рынка с перспективой на десять лет, подготовленному Smartech Markets,  3D-печать технической керамики имеет большое будущее. Ожидается, что доля рынка промышленной 3D-печати керамических форм и стержней значительно вырастет в течение ближайших 10 лет. Созданы условия для перехода от разработок к масштабному производству технической керамики. Прогнозируется увеличение выручки в данном сегменте с 8 миллионов до 1,1 миллиарда долларов США.

 

Обладая новой прорывной технологией и опытом в производстве стержней, 3DCERAM имеет хорошие возможности предоставить инновационные технические решения для удовлетворения непростых потребностей рынка литья в будущем!

Стержень охлаждаемой лопатки

О 3DCERAMSINTO:

 

Созданная в 2001 году компания 3DCERAM (www.3Dceram.com), базирующаяся в Лиможе, с 2009 года принадлежит и находится под управлением Кристофа Шапю и Ришара Гэньон. В 2018 году компания Sintokogio Ltd. из г. Нагоя, Япония, приобрела 3DCERAM.

В конце 2018 года принято решение выйти на рынок Северной Америки, основав компанию 3DCERAM Sinto, Inc. в Уоллингфорде, штат Коннектикут, США. В мае 2019 года состоялось торжественное открытие нашего центра поддержки и услуг для заказчиков из Северной Америки. Питер Дуркан, вице-президент по продажам, является руководителем нашего североамериканского филиала.

3DCeram объединяет непревзойденный опыт в технологии 3D-печати, предлагая полный спектр услуг сопровождения заказчиков в их проектах, выбора керамики, разработки технологии производства, НИОКР, модификации 3D-деталей для промышленного внедрения, производства по запросу, продаж принтеров CERAMAKER® C100, C900 и C3600 и связанных с ними расходных материалов.

 

Информационный бюллетень 2020 — Стержни для охлаждаемых лопаток