Стратегическое применение конструкций WAAM к обычным стальным деталям повышает прочность при минимальном использовании материала

Проект PIONEER, финансируемый программой ЕС «Горизонт Европа» и реализуемый консорциумом из 17 партнеров, успешно завершен. Проект стартовал в 2023 году с целью создания открытого и совместимого цифрового конвейера для передового производства, который можно будет использовать в различных отраслях промышленности Европы. Ключевой частью работы стало применение технологии MX3D дуговой сварки проволокой (Wire Arc Additive Manufacturing, WAAM) для производства несущих гибридных стальных конструкций для гражданского строительства. Как показал трехлетний проект, использование WAAM в сочетании с полностью оптимизированным цифровым рабочим процессом действительно позволяет повысить производительность традиционных стальных деталей без увеличения расхода материала.

Мост в Амстердаме, напечатанный на 3D-принтере

Нидерландская компания MX3D специализируется на крупноформатной роботизированной аддитивной металлообработке и наиболее известна тем, что построила первый мост через канал, напечатанный на 3D-принтере, в Амстердаме. В технологии WAAM, разработанной компанией, которая обеспечивает высокую скорость осаждения и высокий уровень геометрической свободы, для плавления металлической проволоки используется электрическая дуга, а для нанесения металла — роботизированная рука. В результате процесса прямого электронного легирования получаются полностью плотные детали, которые можно обработать на станке с ЧПУ для достижения жестких допусков. Этот метод также подходит для печати структур на подложках, например на существующих стальных деталях.

В рамках проекта PIONEER компания MX3D запустила пилотную линию на основе технологии WAAM с целью повышения эффективности и стабильности производства несущих гибридных стальных конструкций. Тесно сотрудничая с партнерами по консорциуму, в частности с Имперским колледжем Лондона, компания успешно внедрила междисциплинарную оптимизацию для совершенствования роботизированного процесса аддитивного производства. В частности, по словам представителей MX3D, работа в рамках проекта PIONEER «успешно заложила основу для сертифицированных стратегий планирования траектории, снизив зависимость от физических прототипов и повысив эффективность производственных систем с большим разнообразием и малым объемом выпуска».

Пилотная линия PIONEER использует комплексный подход к производству, с самого начала ориентируясь на принципы проектирования с использованием высокопрочной стали с пониженной плотностью. Это позволило партнерам наладить гибридный процесс проектирования, производства и утверждения, который позволяет создавать гибридные стальные конструкции с повышенной несущей способностью без существенного увеличения количества материала. Другими словами, партнеры продемонстрировали, как специально разработанные компоненты из высокопрочной стали с пониженной плотностью могут эффективно усиливать традиционные стальные конструкции, при этом сводя к минимуму расход материала.

Например, на экспериментальной линии PIONEER было успешно изготовлено несколько конструкций, в том числе высокоэффективные гибридные соединения со значительным увеличением несущей способности. В этом случае технология WAAM использовалась для прямого нанесения стали на стандартные профили квадратного сечения (SHS) для создания соединений, которые в среднем выдерживали на 300 % большую нагрузку при увеличении расхода материала всего на 100 %. В ходе другого эксперимента компания MX3D и ее партнеры усилили стальные двутавровые балки стратегически важным 3D-армированием. В результате получилась гибридная конструкция, несущая способность которой увеличилась на 35 % при увеличении массы всего на 5–16 %.

Одним из самых успешных проектов на экспериментальной линии PIONEER WAAM стало производство 22 3D-печатных узлов, которые были собраны в 10-метровую несущую ферму. Благодаря цифровому рабочему процессу и достижениям в области проектирования и проверки каждый из этих узлов был успешно напечатан на 3D-принтере с первого раза. Все эти проекты были реализованы в Имперском колледже Лондона, где установлена одна из самых современных систем MX3D WAAM. Там команда сосредоточилась на совершенствовании цифрового рабочего процесса за счет оптимизации конструкции, а также тестирования и проверки гибридных стальных компонентов. Оптимизацию также обеспечила английская компания LimitState, специализирующаяся на разработке программного обеспечения.

«Проект PIONEER демонстрирует, что гибридный метод WAAM — это не просто инновационная идея, но и структурно жизнеспособное решение, — прокомментировала Пинелопи Кивелу, доцент кафедры строительной инженерии в Имперском колледже Лондона. — Благодаря систематическому тестированию компонентов и полномасштабных систем мы смогли продемонстрировать не только повышение производительности, но и стабильность и надежность, которые необходимы для практического применения в строительной инженерии».

Филиппо Джиларди, менеджер по исследованиям и разработкам в MX3D, добавил: «Что касается нас, то PIONEER показал, что WAAM может быть интегрирован в реальные производственные среды с гибридной инфраструктурой и что он готов перейти от пилотных проектов к более широкому промышленному использованию, особенно с учетом того, что наши интегрированные цифровые рабочие процессы, 3D-сканирование и интеллектуальное планирование траектории движения инструмента стали практическим воплощением».

Автор: Тесс Буассоно

Источник