Процесс трехмерной печати металла склонен к захвату микроскопических включений и пустот в материале. Когда эти детали свариваются, эти микропустоты коагулируют в большие пузыри пористости, которые ослабляют сварной шов из-за концентрации напряжения в области пористости.

Управляемая ЧПУ электронно-лучевая сварка обеспечила точность расположения и глубокое проникновение, необходимые для сваривания четырех отдельных 3D-печатных алюминиевых секций теплообменника в единый узел, который является сердцем прототипа системы HVAC.

При сварке 3D-металлических печатных материалов возникает пористость. Тепло при сварке расплавляет материал, в результате чего микроскопические пустоты и включения объединяются и образуют значительную пористость.

Но если сварочную ванну расплавить второй раз, пористость может выйти или испариться из зоны сварки. Сварка шва дважды на теплообменнике в сборе повторно точно расплавила сварочный очаг и испарила пористость. Окончательный шов имел надлежащую глубину, минимальную пористость и был герметично закрыт.

Аддитивное производство (также известное как 3D-печать металлом) революционизирует проектирование, разработку и производство деталей. Однако до сих пор практически не обсуждался вопрос о том, как соединять 3D-печатные детали с помощью сварки. Проблема заключается в том, что по своей природе процесс 3D-печати металлов склонен к образованию микроскопических включений и пустот в материале. Когда такие детали свариваются, эти микропустоты коагулируют в большие пузыри, что называется пористостью. Пористость представляет собой проблему, поскольку она ослабляет сварной шов из-за концентрации напряжения в области пористости. Кроме того, высокая пористость может привести к образованию микроскопических трещин и путей утечки.

На протяжении последних 50 лет мы предоставляем услуги по прецизионной сварке с использованием технологий электронно-лучевой и лазерной сварки. Эти два метода сварки сыграли важную роль в разработке и изготовлении многих передовых деталей, которые традиционно подвергались механической обработке, в таких отраслях, как аэрокосмическая, автомобильная, энергетическая и медицинская. Но с развитием аддитивного производства в этих отраслях мы наблюдаем возрождение полезности и практичности электронно-лучевой и лазерной сварки для соединения высокотехнологичных 3D-печатных деталей.

Например, недавно мы работали с ThermoLift, компанией с Лонг-Айленда, которая разрабатывает технологию кондиционера и теплового насоса для холодного климата, работающего на природном газе, которая объединяет отопление, кондиционирование и нагрев воды в единое устройство, способное обеспечить снижение расходов на ОВКВ в здании на 30-50%, а также связанное с этим сокращение выбросов парниковых газов. ThermoLift использует 3D-печать для создания прототипа Gen 2.0, который включает в себя теплообменник устройства, состоящий из четырех частей алюминиевый узел, который является сердцем системы. Этот критически важный теплообменник основан на передаче тепла с помощью воды внутри и газа гелия под высоким давлением снаружи. Традиционный трубчатый теплообменник был неприемлем из-за уникальных тепловых свойств, используемых устройством для извлечения энергии. Единственным вариантом для компании ThermoLift было разработать теплообменник с нуля, используя 3D-печать алюминия.

Ранние прототипы напечатанного теплообменника имели проблемы с удалением излишков алюминиевой пудры из внутренних каналов, которые не были расплавлены в процессе печати. Эта проблема была решена в конструкции второго поколения путем печати четырех отдельных секций теплообменника, которые затем сваривались вместе в конечном изделии. Именно здесь и возникла проблема сварки: сварные швы должны были быть точно расположены и иметь достаточно глубокое проникновение, чтобы удерживать детали вместе с учетом рабочего давления устройства. Кроме того, сварные швы должны были быть герметичными, способными пройти испытание на герметичность с помощью гелиевого масс-спектрометра до 1х 10-8 см3/Ге сек.

Для достижения точности расположения и глубокого проплавления предпочтительным методом сварки была сварка электронным лучом. Сварка электронным лучом — это не ручная сварка, поэтому расположение шва можно очень жестко контролировать с помощью ЧПУ. Кроме того, сварка электронным лучом позволяет достичь более глубокого провара, чем любые другие методы сварки, и может достигать глубины в алюминии до ¾ дюйма. Однако при сварке напечатанные на 3D-металле материалы склонны к пористости. Тепло при сварке расплавляет материал, вызывая образование микроскопических пустот и включений, которые объединяются и образуют значительную пористость. Но если сварочную ванну расплавить во второй раз, пористость может выйти или испариться из зоны сварки.

К счастью, технология электронно-лучевой сварки может очень жестко контролироваться как с точки зрения расположения, так и с точки зрения глубины. Решение для устройства ThermoLift предполагало двойную сварку шва. Благодаря двойному удару по сварному шву, самородок шва точно переплавлялся, а пористость выпаривалась — довольно простое решение, которое дало отличные результаты. Шов был выполнен на нужную глубину, имел минимальную пористость и был герметично закрыт. Что еще более важно, компания ThermoLift получила свой рабочий теплообменник.

С помощью 3D-печати металла дизайнеры получают огромную гибкость при проектировании деталей по форме и функциям. Но часто эти детали «в том виде, в котором они были разработаны», не могут быть полностью изготовлены без применения более традиционных методов производства. Для компании ThermoLift наличие доступа к экспертным знаниям, опыту и технологии в более традиционной области производства — в частности, к точной сварке — имело решающее значение для успеха их теплообменника. «EB Industries была ключевым партнером в успешной разработке теплообменника Gen 2.0», — сказал Пол Шварц, главный исполнительный директор ThermoLift. «Их опыт в области электронно-лучевой сварки позволил нам преодолеть ограничения трехмерной печати металла, которые не могли быть достигнуты никаким другим методом соединения. Они также поддержали мою команду многолетними практическими знаниями в области изготовления металлических деталей и абсолютной готовностью сделать все необходимое, чтобы помочь нам достичь наших целей».

 

Передовые технологии — это захватывающая вещь, но есть тенденция сбрасывать со счетов ценность устоявшихся, проверенных технологий как важнейшего компонента инноваций. Электронно-лучевая сварка — одна из таких технологий. Не имея себе равных по точности, управляемости, повторяемости и чистоте сварного шва, этот сварочный процесс остается критически важным во многих высокотехнологичных областях применения.