Kaj, če aditivna proizvodnja prilagodi kompleksne komponente vodikovi industriji? Kako lahko prah tako hitro vključimo in izključimo kot stikalo za luč? Kako ve orodje samo, kako močno je trenutno obremenjeno? Na dogodku Formnext bo Fraunhofer ILT na skupnem razstavnem prostoru Fraunhofer predstavil tri inteligentne odgovore, ki aditivno proizvodnjo naredijo precej bolj ekonomično.
Ne glede na to, ali gre za filtrirno strukturo, preklopnik prahu ali senzor: kar je bilo doslej ločena komponenta, zunanja enota ali dodaten proizvodni korak, se vse bolj vključuje neposredno v aditivne procese ali v izdelano strukturo. Ta pristop dosledno nadaljuje Inštitut Fraunhofer za lasersko tehnologijo ILT.
»Ne razmišljamo o aditivni proizvodnji le z vidika dela, temveč iz vidika procesne verige. Kjerkoli lahko prihranimo dodaten del, proizvodni korak ali nalogo vzdrževanja, se osredotočimo na naše postopke,« pravi dr. Tim Lantzsch, vodja oddelka za lasersko taljenje prahu (LPBF) na Fraunhofer ILT. »Cilj je, da postane AM bolj ekonomičen in s tem konkurenčnejši. Z uspehom!«
Prahu v, prahu iz: preklapljanje v milisekundah
Metalni prah je eden največjih stroškovnih dejavnikov pri laserskem nanašanju (LMD). Znatni del tega prahu doslej neizkoriščeno teče skozi napravo, na primer, ko laser pri kompleksnem načrtovanju poti za kratek čas ustavi, prah pa še naprej teče. Posledice: draga izguba prahu, onesnaženi deli in sistemi za obravnavo ter tveganja za komponente naprav in varnost pri delu.
Prejšnje rešitve mehansko preklapljajo prah, s časom preklopa več kot sekundo in obrabo premičnih delov. Za visoko dinamične LMD- in EHLA-procese s pogostim, kratkim preklapljanjem je to prepočasi in neučinkovito.
Fluidni prašni preklop, ki ga je razvilo Fraunhofer ILT, se namesto tega aktivira neposredno na šobi, tam, kjer prašek doseže proces. Osnova je Venturijev princip: Tok nadzornega plina v območju zožitve ustvari podtlak in vpije prašek v zbiralno posodo, namesto da bi ga usmeril v procesno območje. Ker v prašnem toku ni mehansko gibljivih delov, patentirani sistem deluje skoraj brez obrabe in vzdrževanja. Poleg preklapljanja vklop/izklop omogoča tudi prehod med več materiali ter postopno nastavitev pretoka prašne mase.
Gospodarski učinek je precejšen: Čas preklopa se v primerjavi z mehaničnimi sistemi zmanjša za več kot eno velikostno območje. Obratovalni stroški krmilnega plina so pri tem več kot tri velikostna območja pod materialnimi stroški prihranjenega prahu.
»Vsaka gram prahu, ki ne teče neizkoriščen skozi napravo, prihrani stroške, ščiti komponento in varčuje z viri,« pojasnjuje Viktor Glushych, vodja skupine za obdelavo LMD in toplotno obdelavo na Fraunhofer ILT. Glushych je pomembno prispeval k razvoju inovativnega Fluidic Powder Switch. »Zelo nas veseli, da stikalo ne deluje le v laboratoriju, temveč že deluje v serijski proizvodnji pri prvih strankah. To je bilo naše pričakovanje: industrijsko primerno, robustno in ekonomično rešitev.«
Porozne strukture po meri
Permeabilnost v kovinskih komponentah se doslej večinoma dosega preko ločeno izdelanih kovinskih pen, tkanin ali sintranih filtrov, ki jih je nato treba povezati. To zahteva čas, omejuje svobodo oblikovanja in povečuje toplotni ter električni upor na vsakem mestu povezovanja.
Na Fraunhofer ILT raziskovalci uporabljajo lasersko taljenje prahu (PBF-LB/M), da ciljno nastavljajo nadzorovano poroznost, namesto da bi jo preprečevali. Tako nastanejo goste in permeabilne cone v enem samem, monolitnem delu, z ostrimi ali postopnimi prehodi, povsem brez obdelave po obdelavi.
V projektu LPBFCells, ki ga financira Zvezno ministrstvo za gospodarstvo in energijo (BMWE), Fraunhofer ILT izdeluje porozno transportno plast (PTL) elektrolizne celice v enem samem delu namesto iz zloženih sintranih plasti: z nižjimi kontaktnimi upori, integrirano strukturo pretoka in podporno strukturo ter znatno hitrejšo iteracijo novih geometrij celic. Kot demonstrator bo Fraunhofer ILT na Formnext 2026 predstavil elektrolizno celico z graduirano PTL iz čistih titanov.
»Če poroznost razumemo kot oblikovni element, lahko gosto in permeabilne strukture ciljno prilagodimo funkciji komponente,« pravi Alexander Neuke, znanstveni sodelavec na Fraunhofer ILT. »To je še posebej zanimivo za aplikacije z vodikom, kot so elektrolizerji ali gorivne celice, kjer so potrebne različne poroznosti skozi debelino komponente. Vidim pa tudi velik potencial za filtre ali turbomasine.«
Komponente, ki pripovedujejo same o sebi
Aditivna proizvodnja nastaja plast za plastjo, kar omogoča dostop do področij, ki niso dosegljiva pri končnem delu. To izkorišča dr. Samuel Fink, vodja skupine za tanke plasti na Fraunhofer ILT. V LPBF-komponente vgrajuje senzorje, na primer tiskane merilne trakove. Senzorske plasti nastajajo s pomočjo inkjet, aerosolnega curka ali tampotiska; te je mogoče nanesti med ali po gradnji ter natančno postaviti. Tako izdelani pametni deli zagotavljajo na primer podatke v realnem času o obremenitvi, deformaciji ali začetku nastajanja razpok.
Na Formnextu inštitut prikazuje funkcionalni demonstrator: ključ za vijake z vgrajenim, in-situ natisnjenim merilnim trakcem za raztezanje. Pod obremenitvijo vgrajeni senzor v realnem času zagotavlja podatke o deformaciji in porazdelitvi napetosti neposredno v komponenti, zaščiten pred mehanskim obrabom in toplotnimi obremenitvami. To odpira možnosti za spremljanje stanja, napovedno vzdrževanje in večjo operativno varnost za aplikacije, ki so kritične za varnost, ob hkrati manjših sistemskih kompleksnostih, saj zunanje kabliranje in merilne točke odpadejo.
»Vsi iščejo aditivne senzorje, vendar doslej primanjkuje robustnim, učinkovitih procesom in ustreznim materialom,« pojasnjuje Samuel Fink. »S pametnim ključem prikazujemo, kaj je že mogoče: senzorika zagotavlja podatke točno tam, kjer so v komponenti najbolj pomembni. To je pomemben korak na poti do resnično serijsko blizu aditivnih senzornih rešitev.«
Fraunhofer ILT na Formnextu na skupnem razstavnem prostoru Fraunhofer D31 v dvorani 11.0
Kontakt:
