Dr Paweł Widomski (u góry) i prof. Zbigniew Gronostajski (fot. PWr)

Duże konstrukcje inżynierskie – np. turbiny czy maszyny przemysłowe – powstają nadal w tradycyjnych procesach takich jak kucie, odlewanie czy obróbka skrawaniem. A gdyby „drukować je 3D”, przyspieszając czas ich powstania i ograniczając koszty? Nad takim rozwiązaniem pracuje konsorcjum 21 partnerów z ośmiu europejskich krajów, w tym Politechnika Wrocławska.

Naukowcy i specjaliści z wiodących europejskich firm zamierzają rozwinąć technologię WAAM, czyli Wire Arc Additive Manufacturing. To technologia wytwarzania generatywnego (czyli popularnego „druku 3D”) oparta na napawaniu łukowym. W procesie tym metalowe elementy są budowane poprzez nakładanie warstw, a wykorzystuje się do tego stapiany drut elektrodowy. Korzyści? Co najmniej kilka. Dużo szybszy czas produkcji, znaczne ograniczenie kosztów, a do tego mniejsze straty materiału do produkcji.

– Jednym z elementów, do których produkcji chcemy wykorzystać naszą technologię, są śruby okrętowe – opowiada dr inż. Paweł Widomski z Wydziału Mechanicznego PWr. – Do tej pory wytwarzanie takich części odbywa się poprzez odlewanie lub frezowanie „łopatek” śruby z dużego litego bloku materiału. Jak łatwo się domyślić, generuje to znaczące straty surowców, sięgające nawet około 70-80 proc. Jeśli wykorzystamy do tego technologię WAAM, zużyjemy tylko tyle metalu, ile będziemy potrzebować do zbudowania śruby. Oszczędności dla producentów będą więc znaczące.

Śruba okrętowa wykonana w technologii WAAM i zamocowana na statku (fot. materiały konsorcjum)

Dr Widomski podkreśla też, że łączny czas produkcji wybranego elementu skrócono z dziewięciu do dwóch tygodni. – A do tego technologia WAAM zyskuje przewagę nad konwencjonalnymi metodami, bo pozwala na lokalną kontrolę właściwości materiału w celu osiągnięcia określonej funkcji, takiej jak antykorozyjność lub twardość – dodaje naukowiec.

Zanim jednak „drukowanie” śrub okrętowych stanie się możliwe, członkowie konsorcjum Grade2XL (nazwa nawiązuje do nakładania warstwy po warstwie i dużych rozmiarów planowanych obiektów – sięgających nawet kilku metrów) muszą przeprowadzić szereg badań, które zapewnią kontrolę nad procesem takiego wytwarzania. Dlatego projekt – finansowany z europejskiego programu Horyzont 2020 – jest rozpisany na cztery lata. Jego uczestnicy mają już za sobą ponad rok prac.

Od kuźni po firmy z branży lotniczej

Konsorcjum tworzy 21 partnerów z Holandii, Francji, Belgii, Danii, Wielkiej Brytanii, Niemiec, Polski i Słowenii. To naukowcy z czterech uczelni i specjaliści z firm z całego łańcucha produkcji – od przedsiębiorstw wytwarzających drut elektrodowy, przez twórców sprzętu i oprogramowania oraz producentów w technologii WAAM, po firmy, które staną się użytkownikami końcowymi gotowych rozwiązań.

Te ostatnie pochodzą z bardzo różnych sektorów: morskiego, energetycznego, lotniczego, AGD, motoryzacyjnego i kuźniczego. Są wśród nich międzynarodowe korporacje – m.in. MAN Energy Solutions, Gorenje czy Villeroy&Boch, a także polskie przedsiębiorstwo – Kuźnia Jawor. Konsorcjum zamierza bowiem wykorzystać rozwijaną technologię w aż ośmiu rozwiązaniach. „Wydrukowane” zostaną, poza śrubą okrętową, także: ruchomy pierścień do elektrowni hydraulicznych, przestrzenna forma do wytwarzania wanny, forma do produkcji kompozytów termoplastycznych stosowanych w samolotach (wyposażona w kanały chłodzące), tłoczniki przeznaczone do głębokiego tłoczenia elementów urządzeń AGD, formy wtryskowe wykorzystywane w produkcji plastikowych części wyposażenia wnętrza samochodów oraz matryce do obróbki plastycznej „drukowane” od podstaw lub regenerowane przez napawanie.

Produkcja pod stałą obserwacją

Jak tłumaczy dr Widomski, technologia WAAM jest już od lat znana i stosowana na świecie. Członkowie międzynarodowego konsorcjum chcą jednak wykorzystywać ją w nowych obszarach, jednocześnie skokowo zwiększając jej wydajność i używając nowych materiałów.

– Prowadzimy szeroko zakrojone badania m.in. właśnie nad nowymi materiałami, czyli testujemy proszki metali, które do tej pory nie były wykorzystywane w takich aplikacjach. Przy tym szukamy optymalnego składu, stosując różne domieszki, np. z większą ilością chromu, molibdenu czy niobu – opowiada naukowiec z Wydziału Mechanicznego PWr. – Wszystko zależy od tego, czy w przypadku danego elementu większe znaczenie ma to, by zastosowane w nim materiały były odporne na wysokie temperatury, czy może powinny mieć wyższą twardość i odporność na czynniki niszczące takie jak ścieranie lub korozja kawitacyjna itp. – tłumaczy.

Nowością są także prace nad aktywną kontrolą składu chemicznego elementu wytwarzanego w technologii WAAM. Badacze dążą do tego, by możliwe było mierzenie na bieżąco składu chemicznego napoiny, który stale zmienia się w czasie procesu wytwarzania. Dzięki temu jeśli wartości poszczególnych pierwiastków będą odbiegać od zamierzonych, zrobotyzowane stanowisko automatycznie zareaguje, zmieniając proporcje udziału materiałów dodatkowych w napoinie oraz parametry prądowo-napięciowe – czyli mówiąc prościej: wyreguluje, ile materiału i energii trafi do napoiny, aby w ten sposób skorygować skład wytwarzanego elementu. Ma to skutecznie zapobiegać powstawaniu defektów – słabych punktów podatnych na pękanie, korozję lub zużycie ścierne.

Do tego stanowisko, które rozwijają członkowie konsorcjum, będzie wyposażone w skaner monitorujący na bieżąco kształt napoiny i wysyłający do programu sterującego sugestie, co należy poprawić w parametrach procesu, by efekt był bardziej zadowalający. Nowym elementem będzie również system kriogenicznego chłodzenia stanowiska – zapewniający kontrolę temperatury w procesie napawania.

Badania mikrostruktury

Na Politechnice Wrocławskiej w prace nad projektem Grade2XL zaangażowani są dr Widomski i prof. Zbigniew Gronostajski – obaj z Katedry Obróbki Plastycznej, Spawalnictwa i Metrologii. W badaniach uczestniczą także inni naukowcy i dyplomanci.
Naukowcy z PWr prowadzą część badawczą związaną z mikrostrukturą i właściwościami napawanych warstw. Uczestniczą w opracowywaniu składu nowych testowanych materiałów oraz prowadzą testy pierwszych „wydruków”.

– W Rotterdamie, gdzie działa jeden z konsorcjantów, firma RAMLAB, powstało stanowisko do napawania wyposażone w rozwiązania, nad którymi pracujemy w tym projekcie. Próbki wyprodukowanych tam elementów są przysyłane do nas, do Wrocławia i naszym zadaniem jest bardzo szczegółowa ich analiza – m.in. ich twardości czy składu chemicznego – opowiada dr Widomski.

Za jakiś czas badacze z PWr będą też prowadzić podobne analizy fragmentów gotowych już elementów (np. śruby okrętowej).
Wspólnie z Kuźnią Jawor nasi naukowcy pracują też nad jednym z ośmiu końcowych produktów, jakie mają powstać w technologii WAAM – nad matrycą do kucia na gorąco. -– Celem tych badań jest opracowanie technologii w pełni zrobotyzowanego napawania regeneracyjnego, które zastąpi stosowane do tej pory napawanie ręczne – tłumaczy naukowiec. – Dzięki możliwości domieszkiwania różnych materiałów matryca będzie też bardziej odporna na zużycie.

Ambasadorzy technologii

Dr Widomski podkreśla, że Grade2XL jest projektem otwartym, nastawionym na wprowadzenie wypracowanych rozwiązań na rynek.

– To nie tylko kwestia uczestnictwa w przedsięwzięciu firm, które są żywo zainteresowane efektami naszych wspólnych prac, ale także upowszechniania technologii WAAM wśród przyszłych jej odbiorców, czyli studentów – tłumaczy naukowiec. – Jako konsorcjanci ze środowiska akademickiego jesteśmy też w pewnym sensie ambasadorami technologii WAAM wśród młodych ludzi. Dlatego do współpracy włączyliśmy firmę Autodesk, producenta programu AutoCAD, i z nią opracowujemy moduł CAM, który ułatwi pracę przyszłym konstruktorom-inżynierom. Tworząc swoje projekty, będą mogli wziąć pod uwagę, że konkretne elementy można wyprodukować nie tylko w sposób konwencjonalny, ale także poprzez technologie addytywne.

Co najmniej 35 proc. oszczędności

Członkowie konsorcjum przeprowadzili już wstępne analizy wpływu rozwijanej przez siebie technologii na środowisko i analizy ekonomiczne. Z ich szacunków wynika, że – niezależnie od wykorzystywanych materiałów i produkowanego elementu – WAAM jest znacznie bardziej opłacalna od tradycyjnych metod wytwarzania i powoduje mniejsze straty.

– Przeprowadzona na przykładzie ośmiu procesów wytwarzania analiza kosztów zasobu w całym jego cyklu życia (LCA) wykazała lepsze wykorzystanie surowców i zasobów przy zmniejszonym wpływie na środowisko i kosztach niższych o 35 proc. w stosunku produktów wytwarzanych konwencjonalnymi metodami. Powinna także nastąpić poprawa wydajności, jakości i niezawodności produktów o co najmniej 40 proc. – kończy dr Widomski.

Więcej informacji na temat projektu i planowanych efektów na stronie internetowej projektu.

Lucyna Róg